Автор: Якушев А.Я.
Теги: рельсовый транспорт железнодорожное движение организация производства управление экономика предприятий железнодорожный транспорт
ISBN: 978-5-89035-888-2
Год: 2016
Текст
А.Я. Якушев
АВТОМАТИЗИРОВАННЫЕ СИСТЕМЫ
УПРАВЛЕНИЯ ЭЛЕКТРИЧЕСКИМ
ПОДВИЖНЫМ СОСТАВОМ
Рекомендовано
ФГАУ «Федеральный институт развития образованиям к использованию в качестве учебного пособия в учебном процессе образовательных учреждений, реализующих программы ВО по специальности 23.05.03 «Подвижной состав железных дороем. Регистрационный номер рецензии 536от 24 декабря 2015 г.
Москва
УДК 656.2:658,012.011.56
ББК 39.275
Я49
Рецензент: начальник отдела новой техники Дирекции тяги — филиала ОАО «РЖД», канд. техн, наук Ю.В. Газизов
Якушев А.Я.
Я49 Автоматизированные системы управления электрическим подвижным составом: учеб, пособие. — М,: ФГБОУ «Учебно-методический центр по образованию на железнодорожном транспорте», 2016. - 302 с.
ISBN 978-5-89035-888-2
Изложены основные принципы построения и функционирования систем автоматизированного управления тяговыми и тормозными режимами всех типов серийного электроподвижного состава отечественного производства постоянного и переменного тока с коллекторными и асинхронными тяговыми электродвигателями, а также устройство и характеристики основных кассетных модулей, составляющих эти системы. Рассмотрены характеристики аналоговых и цифровых микросхемных элементов, схемно-техническое устройство и характеристики функциональных элементов, построенных на их основе и служащих базовыми узлами аналогово-цифровых систем автоматического управления. Приведены принципы построения, функциональные схемы и алгоритмы систем автоматизированного управления тяговыми и тормозными режимами электроподвижного состава.
Предназначено для студентов, обучающихся по программе для бакалавров и магистров по направлению 13.04.02 «Электроэнергетика и электротехника» по профилю «Электрический транспорт железных дорог». Может быть полезно при подготовке студентов по специальности 23.05.03 «Подвижной состав железных дорог» (специализация «Электрический транспорт железных дорог»), а также для научных и инженерно-технических работников, занятых в сфере проектирования, эксплуатации и ремонта электрического подвижного состава железных дорог.
УДК 656.2:658.012.011.56
ББК 39.275
ISBN 978-5-89035-888-2
© Якушев А.Я., 2016
© ФГБОУ «Учебно-методический центр по образованию на железнодорожном транспорте», 2016
Введение
Электрический подвижной состав, используемый на магистральных и пригородных участках железных дорог Российской Федерации, оснащен системами автоматизированного управления , что позволяет достаточно ощутимо ПОВЫСИТЬ технико-экономическую Эф-фективность его эксплуатации и выполняемых им перевозок* В устройствах автоматики широко используются полупроводниковые и электромагнитные элементы. Применение интегральных микросхем и других технических средств микроэлектроники и микропроцессорной техники позволило существенно снизить количество элементов в устройствах автоматического управления, повысить функциональность и надежность систем управления, а также создать комплексные системы автоматизированного управления, обеспечивающие безопасность движения, выполнение графиков движения поездов, управление работой локомотивов, поддерживающие бесперебойное функционирование агрегатов и систем управления электрическим подвижным составом.
Автоматизация управления тяговыми и тормозными режимами электрон од вижного состава сопряжена с формированием и реализацией функций регулирования преобразователей и тягового электропривода, существенно отличающихся от применяемых в системах управления электроприводом промышленного назначения. Автоматизация процессов плавного трогания электропоездов, а также электровозов с пассажирскими и тяжелыми грузовыми составами, процессов входа в тормозные режимы, необходимость локализации процессов боксования или юза колесно-моторных блоков существенно усложняют структуру систем автоматического управления, требуют оснащения их совершенными средствами диагностики и контроля функциональности.
Изучение устройства, схемно-технических решений, алгоритмов функционирования, особенностей технического обслуживания и эксплуатации систем автоматизированного управления современного отечественного серийного электрического подвижного состава, эксплуатируемого на магистральных и пригородных линиях железных дорог, является основой для дальнейшего совершенствования и разработки перспективных типов электровозов и электропоездов*
Глава 1. ЭФФЕКТИВНОСТЬ АВТОМАТИЗАЦИИ ЭЛЕКТРОПОДВИЖНОГО СОСТАВА
1.1. Условия работа бортовой аппаратуры систем автоматизированного управления
Условия работы аппаратуры и устройств автоматизации управления электрическим подвижным составом (ЭПС) существенно сложнее по сравнению с условиями работы стационарных систем. Это связано с непрерывным изменением возмущающих воздействий со стороны окружающей среды, источников питания, режимов нагрузки. Ниже рассмотрены основные факторы, действие которых должно быть ограничено или нейтрализовано конструкционными и схемно-техническими средствами, примененными при разработке и создании бортовых устройств автоматизации управления ЭПС.
Диапазон изменения температуры окружающей среды. В условиях эксплуатации электроподвижного состава температура окружающей среды изменяется в пределах от +40° до —60 °C. Для оборудования, установленного в кузове ЭПС, верхний предел температуры окружающей среды повышается до 4-60 °C.
При таком широком диапазоне температур происходит изменение сопротивления медных проводников на 40 %, резисторов — на 20—30 %, характеристик полупроводниковых приборов — до 20 %, что значительно влияет на характеристики, стабилизирующие и усилительные функции автоматических устройств, поэтому в схемных решениях элементов и устройств управления ДОЛЖНЫ быть предусмотрены средства компенсации температурных изменений параметров.
Климатические условия. Аппаратура систем автоматизированного управления (САУ) должна иметь защиту от прямою попадания влаги, от проникновения снежной пыли, а также от образования конденсата при резких изменениях (перепадах) температуры и влажности окружающей среды.
При обеспечении герметичности защитных кожухов и шкафов для бортовой аппаратуры должны быть предусмотрены способы и
средства отвода тепла, выделяемого в результате электрических потерь в элементах и устройствах, находящихся внутри. Аппаратура САУ должна быть рассчитана по тепловым режимам на круглосуточную работу без отключения электропитания.
Вибрационное воздействие. Аппаратура и устройства автоматики, установленные в кузовах ЭПС должны выдерживать вибрацию с частотой от 1 до 100 Гц, ускорением 1# и одиночные удары в горизонтальном и вертикальном направлениях до 3g.
Для обеспечения вибростойкости все элементы устройств и кассетных модулей должны быть приклеены к платам эпоксидной смолой, конденсаторы — закреплены хомутами, платы — укреплены жесткой окантовкой с надежной фиксацией и дублированием разъемов.
Электромагнитные воздействия. Аппаратура и соединительные кабели находятся под постоянным воздействием переменных электромагнитных полей, создаваемых силовыми шинами, кабелями и реакторами, обтекаемыми электрическим током.
Для обеспечения защиты от электромагнитных воздействий аппаратура должна быть оснащена заземленными экранами, соединительные кабели должны выполняться экранированными проводами с заземлением экранирующей оплетки. Коммутирующие устройства, соединенные протяженными кабельными линиями, должны быть оснащены электронными пороговыми средствами защиты от импульсных электромагнитных воздействий.
Условия электропитания. Напряжение на токоприемнике ЭПС может изменяться в пределах от 19 до 29 кВ для участков переменного тока и от 2,2 до 4,0 кВ — для постоянного. Электропитание бортовой аппаратуры САУ обеспечивается от источников цепей управления ЭПС, напряжение которых изменяется в пределах от 0,7 до 1,3 номинальной величины. Форма кривой напряжения сети переменного тока может существенно отличатся от синусоидальной из-за искажающего влияния процессов коммутации в полупроводниковых преобразователях.
Блоки питания аппаратуры САУ должны быть оснащены стабилизирующими устройствами, компенсирующими диапазон изменения напряжения питания, импульсные изменения его уровня и кратковременные перерывы питания.
Техническое обслуживание аппаратуры САУ. Непосредственно на ЭПС техническое обслуживание аппаратуры производится в стесненных ограниченных условиях доступа.
С целью улучшения условий и повышения эффективности технического обслуживания аппаратура САУ выполняется в виде металлических шкафов со съемными кассетными модулями. На лицевых панелях кассет предусматривается световая инд икания исправного их функционирования и контрольные гнезда для подключения измерительных приборов. Блоки управления оснащаются диагностическими схемами и дополнительными разъемами для подключения диагностической аппаратуры. На новых типах ЭПС применяются принципы модульного формирования систем управления, при котором блоки и устройства САУ устанавливаются непосредственно в контейнеры преобразователей. Контроль функциональности блоков САУ осуществляется внутренними диагностическими программами, а также посредством подключаемой через диагностические разъемы внешней контрольной аппаратуры.
Этапы совершенствования элементной базы и аппаратуры САУ
Релейно-контактные системы управления (САУ первого поколения) предназначены для поддержания среднего уровня пускового тока тяговых электродвигателей. Надежность работы систем обеспечивается за счет использования минимального количества элементов и усовершенствования аппаратуры серийных образцов. Релейно-контактные системы применяются на всех электропоездах постоянного тока, выпускаемых отечественными заводами с 1929 г., а также на электропоездах переменного тока, выпускаемых с 1959 г. В настоящее время они эксплуатируются на электропоездах метрополитена всех серий с коллекторными тяговыми электродвигателями, а также на пригородных электропоездах ЭР2, ЭР9, ЭР9П, выпуск которых в настоящее время прекращен.
Аналоговые системы управления (САУ второго поколения) — характеризуются плавным регулированием сигналов непрерывного уровня. Функционально САУ обеспечивают стабилизацию тока тяговых электродвигателей в тормозных режимах.
В слаботочных цепях используются транзисторные усилители, в сильноточных — электромашинные и электромагнитные усилители МОЩНОСТИ сигналов.
Аналоговые системы управления применялись на опытных электропоездах постоянною тока с электрическим торможением ЭР6, ЭР10, выпускаемых с 1969 г., позднее — на электропоездах ЭР22 и электровозах постоянного тока ВЛ 8, выпускаемых с 1952 г., а также на электровозах ВЛ 10. В настоящее время эксплуатируются на электропоездах ЭР22 и электровозах ВЛ 10.
Аналогово-дискретные системы (САУ третьего поколения) — содержат устройства, преобразующие сигналы управления непрерывного уровня в дискретные с регулируемыми интервальными задержками. Функционально САУ обеспечивают контроль и поддержание тока тяговых электродвигателей (ТЭД) в пусковых режимах электропоездов, стабилизацию тока ТЭД в тормозных режимах электропоездов и электровозов, защиту ТЭД при боксовании и юзе.
В слаботочных цепях используются аналоговые и цифровые микросхемные элементы, оптоэлектронные элементы, транзисторные усилители. В сильноточных цепях применяют силовые полупроводниковые приборы — тиристоры и силовые транзисторные модули, Они применяются:
— на электропоездах постоянною тока с электрическим торможением ЭР2Т, выпускаемых с 1983 г., а также на электропоездах более позднего выпуска ЭТ2, ЭТ2М, ЭД4;
— на электропоездах переменного тока ЭР9Т, выпускаемых с 1985 г,? на электропоездах ЭД9М, ЭД9Т;
— на электровозах постоянного тока ВЛ НМ, ВЛ 15 отечественного производства, ЧС2Т, ЧС63 ЧС7, ЧС200 чешского производства;
— на электровозах переменною тока ВЛ80Т, ВЛ80С, ВЛ80Р, ВЛ65, ВЛ85 отечественного производства, ЧС4Т чешского производства.
Цифровые микропроцессорные системы управления (САУ четвертого поколения) выполняют многофункциональное автоматическое управление тяговым электроприводом и электрическими аппаратами в тяговых и тормозных режимах работы, а также производят автоматическую непрерывную диагностику состояния электрооборудования электровоза. Они также взаимодействуют с системами автоматического управления торможением САУТ-ЦМ и устройствами безопасности КЛУБ-У, обеспечивающими безопасность движения, контроль состояния машиниста (однократная и периодическая проверка бдительности), регистрацию параметров движения.
Основу микропроцессорной системы управления составляет бортовой компьютер технического назначения (многофункциональный микропроцессорный контроллер) доукомплектованный устройствами сопряжения с аппаратами электрооборудования, средствами измерения, контроля, индикации и диагностики. Такие компьютеры применяются на серийных электровозах переменного тока ЭШ, ЭП1М, 2ЭС5К, ЗЭС5К, 2ЭС5, 2ЭС7, на электровозах двухсистемного питания ЭП10, ЭП20, на серийных электровозах постоянного тока ЭП2К, 2ЭС4К, 2ЭС6К, 2ЭС10, на опытных электропоездах постоянного (ЭТ2А, ЭТ4А) и переменного (ЭНЗ, ЭД9Э) тока.
1.3. Технико-экономическая эффективность автоматизации ЭПС
Автоматическое управление режимами тяги — улучшает тяговые свойства ЭПС с тяговым электроприводом постоянного тока на 5—8 % за счет плавности регулирования пускового тока и применения эффективной противобоксовочной защиты. Пусковые и эксплуатационные потери снижаются за счет применения более совершенной пускорегулирующей аппаратуры, экономичных способов регулирования тока тяговых двигателей.
Автоматическое регулирование напряжения и частоты способствует повышению мощности тягового электропривода электровозов с трехфазными бес коллекторными тяговыми электродвигателями в 1,5 раза по сравнению с коллекторным; одновременно улучшаются и энергетические характеристики электровозов. В этом случае эффективность автоматизации оценивается как возможность внедрения новых более мощных и совершенных видов локомотивов с улучшенными энергетическими характеристиками.
Автоматическое управление тяговыми и тормозными режимами позволяет повысить участковую и техническую скорость движения за счет повышения эффективности реализации режимов; например, повышение участковой скорости движения на 1 % снижает себестоимость перевозок на 0,1 %.
Автоматизация управления режимами электрического торможения расширяет область его применения и снижает расход электрической энергии за счет увеличения доли ее возврата, а также уменьшает износ тормозных колодок и бандажей колесных пар подвижного состава. Кроме того, реализация рекуперативного тор-8
можения на переменном токе возможна только при автоматическом управлении*
Эффективность автоведения поездов проявляется в повышении безопасности движения, точности выполнения [рафиков движения, следовательно — в улучшении использования пропускной и увеличении провозной способности участков* Внедрение систем авгове-дения позволяет при прочих равных условиях уменьшить расход энергии на тягу поездов за счет выбора и реализации оптимальных режимов движения*
Автоматизация вспомогательных устройств способствует снижению расхода электроэнергии на вспомогательные нужды, повышению надежности работы, уменьшению металлоемкости вспомогательных устройств.
Необходимость кардинального усовершенствования систем управления вспомогательным электроприводом магистральных электровозов обусловлена тем, что расход энергии на вспомогательные нужды достигает 8—10 % от общего количества энергии, расходуемой локомотивами на перевозки.
Выводы
1. Автоматизация управления электроподвижным составом повышает производительность перевозочного процесса железнодорожного транспорта.
2. Применение асинхронных тяговых электродвигателей существенно повышает тяговые и энергетические характеристики ЭПС.
Глава 2. ЭЛЕМЕНТЫ СИСТЕМ АВТОМАТИЗИРОВАННОГО УПРАВЛЕНИЯ ЭПС
2Л. Усилительные и переключающие аналоговые элементы
Свойства и характеристики операционных усилителей. Основу
вычислительных аналоговых элементов составляют операционные усилители (ОУ), выполненные по микросхемной технологии с ма
лой степенью интеграции. Операционные усилители подразделяются на приборы общего назначения, высокочастотные, прецизионные (с высокой точностью усиления), микромощные (с малым энергопотреблением), программируемые.
Схемно-техническое обозначение операционного усилителя пока
зано на рис. 2.1. Усиливаемое входное напряжение идф подается на дифференциальный вход. Входы усилителя подразделяют на прямой (обозначен на рис. 2.1 знаком «плюс») и инвертирующий (обозначен
знаком «минус»). Инвертирующий вход на схемах обычно обознача
ют о. Питание усилителя осуществляют от двуполярною источника
с общей точкой 0—(— Ц ) Общая точка источника пита-
ния соединена электрически с общей точкой ОУ, обозначенной на
схеме 0. Выходное напряжение операционного усилителя ивых формируется относительно общей точки схемы.
Рис. 2.1. Схемно-техническое обозначение операционного усилителя
На основе операционных усилителей реализован большой ряд функциональных элементов: сумматоров сигналов, устройств сравнения (вычитания) сигналов, интегрирующих и дифференцирующих устройств, пороговых устройств (компараторов, электронных реле), преобразователей нелинейных функций, генераторов тональных и релаксационных сигналов.
Свойства и характеристики функциональных элементов на основе операционных усилителей формируются посредством внешних цепей, (резисторов, конденсаторов, диодов, стабилитронов), подключаемых к цепям входа и выхода, а также образующих обратные связи в усилителе. Основные технические характеристики ОУ приведены в табл* 2.1,
Таблица 2.1 Основные технические характеристики операционных усилителей
Параметр Обозначение Значение параметра
1 Напряжение питания, В ^гптт +15—0—(—15)
2 Входное напряжение, В ^дф ±(2-10)
3 Выходное напряжение, В ^вых ±(б—12)
4 Входной ток, мкА ПК 0,2—0,5
5 Выходной ток (нагрузка), мА ^вых <10
6 Потребляемый ток, мА ^ПИТ 10-15
7 Рабочая частота, кГц Траб 10-20
8 Коэффициент усиления ки (5-50). 103
Частотная характеристика усилителей определяется соотношением:
Wpa6=/V <2*D
где — частота единичного усиления, при которой Ку = 1, a = 1 МГц; например, при Ку = 100 = 10 кГц.
Маркировка операционных усилителей: К140УД (1—10) А, Б, В; К153УД (1-5) А, Б, В; К154УД (1-4) А, Б, В; К553УД (1-5) А, Б, В; К574УД (1-3) А, Б, В.
Операционный усилитель содержит четыре каскада усиления* Эквивалентная схема усилителя показана на рис* 2.2.
Входной дифференциальный каскад представляет собой транзисторную пару VT1—VT2, выполняющую разностное усиление входного сигнала* В эмиттерную цепь транзисторов включен стабилизатор тока VT3, обеспечивающий постоянную сумму коллекторных токов транзисторной пары*
Первый каскад ОУ усиливает входной сигнал по дифференциальному входу в 10—15 раз. Второй дифференциальный каскад составлен из транзисторной пары VT4—VT5, также выполняющей разностное усиление* Транзисторы VT4—VT5 включены относительно
Рис. 2,2, Эквивалентная схема операционного усилителя
входного каскада VT1—VT2 по схеме коллекторного повторителя, В эмитгерную цепь транзисторов VT4—VT5 включен стабилизатор тока VT6, обеспечивающий постоянную сумму коллекторных токов транзисторной пары. Резисторный делитель напряжения R6— R7 создает общую точку усилителя с нулевым потенциалом. Второй дифференциальный каскад усиливает сигнал входного каскада дополнительно в 50—100 раз.
Предоконечный усилительный каскад выполнен на транзисторе VT7, он включен по схеме коллекторного повторителя транзистора VT5.
Выходной усилительный каскад выполнен на транзисторе VT9, включенном по схеме коллекторного повторителя транзистора VT7. Транзистор VT8 является стабилизатором тока транзистора VT7, он обеспечивает стабильность усиления выходного каскада, Предоконечный и выходной каскады являются усилителями мощности; коэффициент усиления этих каскадов находится в пределах 5—10. Выходное напряжение операционного усилителя формируется между эмиттером транзистора VT9 и общей точкой усилителя. Транзисторы VT8? VT9 включены по схеме с положительной обратной связью , которая увеличивает коэффициент усиления выходного каскада VT9, обеспечивая общий коэффициент усиления усилителя в пределах (5—10)-103 при выходном сопротивлении нагрузки 10 кОм,
Кроме указанных электродов, для подключения внешних цепей входа, выхода и источника питания усилитель имеет дополнительные электроды для корректирующих цепей нулевого потенциала общей точки усилителя, а также для расширения частотного диапазона (частотная коррекция) линейного усиления (на схеме рис. 2*2 эти электроды не показаны).
Различают два основных схемных включения усилителей, реализующих инвертированное и прямое (неинвертированное) усиление.
В режиме инвертированного усиления входное напряжение подается на инвертирующий вход, выделенный на схеме кружком, а прямой вход подключается к общей точке схемы А (рис 2.3, я)* В этом режиме усиления выходное напряжение противоположно по направлению входному* В случае инвертированного усиления переменного синусоидального напряжения фаза выходного напряжения сдвинута относительно входного на 180°.
Рис. 2.3. Схемы усиления операционных усилителей: а — инвертированное усиление; б — неинвертированное усиление
Входное напряжение дифференциального входа усилителя в режиме усиления составляет достаточно малую величину:
и 10
ИжЬ = ---------т = (0,001—0,002) В. (2.2)
дф Kv (5_ 1Q).ю3
Соотношение входного и выходного напряжений схемы инвертированного усиления устанавливаются пропорционально сопротивлениям резисторов входной цепи RBX и обратной связи Roc, так как разность потенциалов точек А и 0 близка к нулю. Отсюда следует:
(2-3)
Л
U =——и *
вых д вх вх
Характеристика инвертированного усиления показана на рис, 2.4, а* Коэффициент наклона характеристики равен коэффициенту усиления схемы:
R
ОС
R вх
(2-4)
АСЛ j£- вых вх Уровень выходного напряжения усилителя ограничен величи
ной определяемой напряжением источника питания за вычетом падения напряжения в выходном каскаде (см. рис. 2.2).
В режиме прямого (неинвертировашюго) усиления входное напряжение подается на вход «+», а инвертирующий вход подключается через резистор R3 к общей точке схемы 0 (см. рис. 2.3, б). В этом режиме усиления выходное напряжение совпадает по направлению с входным.
Соотношение ВХОДНОГО И ВЫХОДНОГО напряжений для схемы не-инвергированного усиления:
и ВЫХ
— и вх
(2.5)
Сопротивление резистора RBK в цепи прямого входа практически не влияет на коэффициент усиления схемы, так как входной ток,
Л б
Рис. 2,4. Характеристики усиления операционных усилителей: а — инвертированное усиление; б — неинвертированное усиление
равный внутреннему току дифференциального каскада, ничтожно мал по сравнению с током обратной связи. Коэффициент неинвер-тированного усиления схемы на единицу больше по сравнению со схемой инвертированного усиления при одинаковых сопротивлениях в цепи инвертирующего входа и обратной связи:
(2.6)
К = ----^ = 1 + -^
R3
Характеристика неинвертированного усиления ОУ показана на рис. 2.4, б. Коэффициент наклона характеристики равен коэффициенту усиления схемы:
AfZ Л
ВЫХ — | | ОС
(2.7)
Сумматоры. Для суммирования сигналов обычно применяют схему инвертированного усиления (рис. 2*5, я)- Источники входных напряжений и1вх, ^2ВХ> и3вх> подключаемые к инвертирующему входу усилителя через резисторы R1bx, R^bx» ®3нх> подсоединены к общей точке усилителя. Прямой (неинвертирующий) вход усилителя также соединен с общей точкой схемы. Выход усилителя соединен с инвертирующим входом резистором Roc, образующим отрицательную обратную связь усилителя* Цепи источников питания усилителя на схеме не показаны*
В зависимости от полярности входных напряжений они будут суммироваться (</1вх, И2вх) ИЛИ вьгаитНТЬСЯ (—«звх )-
Рис. 2.5, Схемы суммирования сигналов: а — сумматор; б — элемент сравнения
и
вых
! R + ос ц Пвх + D м2вх
1вх ZBX
я
-°С-И й Звх •
звх У
(2.8)
Если сопротивления резисторов входных цепей одинаковы, то суммирование входных напряжений производится с одинаковыми коэффициентами усиления:
У?
и =—— + и -w, )♦ (2,9)
вых д 4 1вх 2вх Звх' у '
вх
Элемент сравнения реализован схемой разностного усиления напряжений (рис. 2.5, б). Входные сигналы от двух независимых источников поданы на прямой и инвертирующий входы усилителя. Источники входного напряжения подключены к общей точке усилителя. Выход усилителя соединен с инвертирующим входом резистором Roc, образующим отрицательную обратную связь усилителя. Цепи источников питания усилителя на схеме также не показаны.
Выходное напряжение усилителя равно разности напряжений по прямому и инвертирующему входам, умноженных на коэффициенты усиления по соответствующим входам:
(2 ДО)
Резисторы RjBX> R3> подключенные к неивертирующему входу по схеме делителя напряжения, предназначены для уравнивания коэффициентов усиления усилителя по прямому и инвертирующему входам.
Если принять R1bx = R2bx, Roc = R3> то реализуется усиление разности напряжений по входам с одинаковыми коэффициентами усиления
«вых=Ф^^вх-«2вх)- (211)
ВХ
Функциональные преобразователи предназначены для воспроизведения нелинейных зависимостей {7ВЫХ (f/BX)? используемых в системах автоматического управления для формирования сигналов с заданными нелинейными функциями регулирования.
В САУ электроподвижного состава используют нелинейные зависимости характеристик намагничивания, а также ограничений тяговых характеристик электродвигателей по условиям коммутации и сцепления. Для воспроизведения таких зависимостей обычно применяют кусочно-линейные функции, которые достаточ
но просто можно реализовать на основе схем операционных усилителей с резисторно-диодными обратными связями,
В качестве примера рассмотрена схема воспроизведения харак
теристики намагничивания тягового электродвигателя, применяемая в блоке автоматического управления реостатным торможением электровозов ВЛ80С (рис, 2.6).
Схема воспроизводит характеристику намагничивания тремя линейными отрезками (рис. 2.7) посредством операционного усилителя DA1 (см. рис. 2.6) с инвертированным усилением. На интервале из
менения входного напряжения от 0 до (71вк диоды VD1, VD2 заперты положительным опорным напряжением {7ОП> поэтому характеристика намагничивания ВОСПРОИЗВОДИТСЯ линейным отрезком, идущим из начала координат.
Коэффициент наклона отрезка определяется отношением сопротивлений резисторов обратной связи Rn_ и входной цепи R т UL ±jA.
Рис. 2.7. Характеристика намагничивания ТЭД
tr Л 1ВЫХ ос
^1ВХ
(2.12)
Диоды VD1, VD2 в обратной связи усилителя DA1 отпираются последовательно при достижении выходного напряжения (— (7ВЫХ) величины, при которой напряжение смещения, создаваемое опорным напряжением (7ОП на катодах диодов через резисторы Rloip R2on> становится отрицательным* При этом параллельно основному резистору обратной связи Roc подключаются дополнительно резисторы Rloc, Rjocs которые изменяют коэффициент усиления и соответственно коэффициенты наклона линейных отрезков характеристики:
CL -^i 2ВЫХ 1ВЫХ _ V-
и, -и.
2вх 1вх
ос
(2*13)
_ Звых 2 вых
2~ U. -и,
Звх 2вх
‘2ос
• (2-14)
Величина сопротивлений резисторов обратных связей Rloc> ^ос> подключаемых через диоды VD1, VD2, определяется коэффициентами наклона К, линейных отрезков воспроизводимой характеристики по следующим формулам:
Я, -я
1ОС 1
1
(2.15)
1
Я, -Я -------—
Мое ос -К )
Сопротивления резисторов цепей смещения определяются величинами ВЫХОДНОГО напряжения (— Цвых> — ^2выхЬ ПРИ которых происходит отпирание диодов VD1, VD2 и изменение наклона линейных отрезков характеристики
(2.16)
(2.17)
1вых
он
^2оп ^2ос
(2*18)
При воспроизведении более сложных нелинейных зависимостей в ряде случаев применяют параллельное включение двух и более операционных усилителей с использованием разделительных диодов. Для реализации нелинейных логарифмических зависимостей включают в обратную связь операционных усилителей транзисторные усилители. Известны также типовые схемы функциональных преобразователей, таких как квадраторы, экспоненциальные, синусные и др.
Элементы интегрирования. Идеальное интегрирование можно реализовать только в режиме инвертированного усиления. Схема
интегрирования показана на рис. 2.8. Для упрощения источники питания усилителя на схеме не показаны. Схема интегрирования аналогична схеме инвертированного усиления (см. рис* 2.3? а)* Отличием является включение в обратную связь усилителя конденсатора Сос вместо резистора*
Соотношение входного и ВЫХОДНОГО напряжений схемы идеального интегрирования
Рис. 2.8. Схема интегрирования операционного усилителя
1
вых д £ Jbxw со* вх ОС
Постоянная интегрирования ус0 является напряжением начальных условий интегрирования* Если принять ис0 = 0; UBX = =
= const, то выходное напряжение будет изменяться по линейному закону
1 Г
и =--------— =-----—г. (2.20)
™х й С J 11 R С
ВХ ОС вх ОС
Рис. 2.9. Диаграммы идеального интегрирования операционным усилителем: а — интегрирование постоянного сигнала; б — интетрирование импульсных сигналов
Произведение ЯвКСос = Ти называют постоянной времени интегрирующего усилителя.
Интегрирующий операционный усилитель называют интегратором. Диаграммы изменения ВЫХОДНЫХ сигналов интегратора При ПОСТОЯННОМ и импульсном входных сигналах показаны на рис. 2.9, а, б соответственно.
При интегрировании импульсных сигналов конечное напряжение интегрирования предыдущего импульса является начальным условием интегрирования следующего импульса. Режимы идеального интегрирования используют в таймерах, генераторах пилообразных сигналов, фазорегуляторах.
Интегрирующие свойства рассмотренной схемы ОУ характеризуются операторной передаточной функцией
Z (р) 1
№(р) = = _---!----ф (2.21)
Z (р) pR С вх вх ОС
где Zoq(p) — операторные выражения параметров цепей входа и обратной связи.
Элементы дифференцирования. Идеальное дифференцирование может быть реализовано только при инвертированном усилении ОУ. Схема идеального дифференцирования показана на рис. 2.10, а* Входное напряжение ивк подается на инвертирующий вход через
Рис. 2.10. Схемы дифференцирования операционным усилителем: а — щоаль-ное дифференцирование; б — инерционное дифференцирование
конденсатор Свк* В цепь отрицательной обратной связи включен резистор Roc. Неинвертирующий вход усилителя подключен к общей точке схемы. Схема дифференцирования аналогична схеме инвертирующего усиления, только вместо резистора на вход включен конденсатор Свк*
Соотношение входного и выходного напряжении схемы идеального дифференцирования
du
и = -R С (2.22)
ВЫХ ОС ВХ dt
Схема идеального дифференцирования является усилителем импульсных помех, так как при дифференцировании импульса или ступенчато изменяющегося сигнала, производная этого сигнала должна иметь бесконечно большую величину. В операционном усилителе эта величина ограничивается уровнем источника питания. Для сглаживания импульсных помех на инвертирующий вход усилителя включают последовательно с конденсатором Свк резистор Схема сглаженного дифференцирования показана на рис. 2ДО, б. Соотношение входного и выходного напряжений схемы сглаженного дифференцирования:
w
1
вх
— и
► вых
fw dt
J вых >
(2.23)
После дифференцирования получено следующее уравнение:
du
R С —^ + и
ВХ ВХ dt ВЫХ
du
с ИХ
ОС ВХ
(2-24)
Правая часть этого уравнения представляет собой уравнение дифференцирующего звена. Левая часть соответствует дифференциальному уравнению апериодического звена 1-го порядка с постоянной времени Газ = ЯВКСВК*
Таким образом, рассмотренная схема выполняет дифференцирование входного напряжения с постоянной времени Тд = ^осСвк и сглаживание входных импульсных помех апериодическим звеном. Необходимым условием д ля снижения погрешности дифференцирования является соотношение постоянных времени Тд » Газ или сопротивлений резисторов J?oc »
Дифференцирующие свойства рассмотренной схемы ОУ характеризуются операторной передаточной функцией:
W(p)
pR С
J ОС ВХ
1+рЯ с
ВХ ВХ
рТ д
1+рТ '
аз
(2.25)
ПИ-регуляторы. Схема регулятора с пропорционально-интегральным законом регулирования и инвертированным усилением ОУ показана на рис. 2.11* а. В обратную связь последовательно с интегрирующим конденсатором Сос включен резистор Roc. В остальном схема пропорционально-интегрированного усиления аналогична схеме идеального интегрирования.
Рис. 2,11. Схемы ПИ-регуляторов: а — инвертированное усиление; б — неинвертированное усиление
Соотношение входного и выходного напряжений схемы пропорционально-интегрированного инвертированного усиления: r и =——
вых вх
и вх
+ и _ сО
вх ОС
ОС
R вх
и +----------
вх Л с ОС ОС
+ и ~. сО
(2.26)
1
1
Интегрирующие и усилительные свойства рассмотренной схемы ОУ характеризуются операторной передаточной функцией ПИ-
регулятора:
R 1 + рЛ С 1 + рТ
ДОЛ/ п) = - 00 ос ос = г и
R pR С рТ '
ВХ ОС ОС и
(2.27)
В формуле передаточной функции приняты следующие обозначения коэффициентов:
К =—— — коэффициент усиления ОУ;
Ги = /?осСос — постоянная времени интегратора.
Диаграммы изменения выходных сигналов ПИ-регулятора при постоянном и импульсном входных сигналах показаны на рис. 2.12, а, б соответственно. При интегрировании импульсных сигналов конечное напряжение интегрирования предыдущего им
Рис. 2.12. Диаграммы преобразования сигналов ПИ-регулятором: а — постоянного сигнала; б — импульсных сигналов
пульса является начальным условием интегрирования следующего импульса. Выходное напряжение изменяется скачком на величину пропорционального усиления входного импульсного сигнала:
(2.28)
Я
ПР Од вх
Схема регулятора с пропорционально-интегральным законом регулирования и неинвертированным (прямым) усилением ОУ (см. рис. 2.113 б) аналогична схеме прямого пропорционального усиления. Отличием является включение в обратную связь интегрирующего конденсатора Сос последовательно с резистором Roc.
Соотношение входного и выходного напряжений схемы пропорционально-интегрированного неинвертированного усиления:
R +
——-и +——— « dt + u = Л, “ Л,С J 11Х 1:0
(2.29)
Интегрирующие и усилительные свойства рассмотренной схемы ОУ характеризуются операторной передаточной функцией ПИ-регулятора
Z (р) Л + Кэ1 + р(Я + Я_)С 1 + рТ
JP(p) = +1 = ---3---= к__L_* , (2.30)
Z (р) Л р(Л+Л.)С рТ
BX4jr/ 3 ОС 3' ОС * и
В формуле передаточной функции приняты следующие обозначения:
R +А
К =———- — коэффициент усиления ОУ;
г=(Я* + )С — постоянная времени интегратора*
ПД-регуляторы, Схема регулятора с пропорционально дифференциальным законом регулирования и инвертированным усилением ОУ (рис. 2.13, а) аналогична схеме дифференцирования со сглаживанием импульсных помех. Отличием является включение
Рис. 2.13. Схемы ПД-регуляторов: а — сглаживание импульсных помех на входе; б — сглаживание импульсных помех обратной связью
на инвертирующий вход усилителя резистора параллельно
дифференцирующей цепи R1BX — Свх. В указанной схеме пропорциональное усиление обеспечивается резистором дифференцирование конденсатором Свк> сглаживание импульсных помех — резистором R1bx+
Соотношение входного и выходного напряжений схемы пропор-ционально-дифференцирующего сглаженного усиления:
о с ^вых + „ -If с + (2.31)
1ВХ ВХ dt ИП Jf И ОС м dt
2вх \ 2вх7
Дифференцирующее и сглаживающие свойства рассмотренной схемы ОУ характеризуются операторной передаточной функцией ПД-регулятора:
R 1 + р(Я + Я, )С 1+/>Г
_ °0 х Твх zbx вх _ _д q 32)
Я, 1 + />Я С ~ 1 + рТ '
2вх г iBX вх г аз
В формуле передаточной функции приняты следующие обозначения коэффициентов:
R
К-—— — коэффициент усиления ОУ;
Лвх
Гд = ^1вх+^2вх)^вк — постоянная времени дифференцирующего канала регулятора;
Газ = ^ibx^bk — постоянная времени апериодического звена, сглаживающего импульсные помехи регулятора.
Схема регулятора с пропорционально-дифференциальным законом регулирования и инвертированным усилением, равноценная рассмотренной выше, показана на рис* 2.13, б. К инвертирующему входу усилителя подключен резистор Rjj параллельно дифференцирующему конденсатору Свк> в обратную связь включены резистор Roc и конденсатор Сос* В рассмотренной схеме пропорциональное усиление обеспечивается резистором дифференцирование конденсатором Свк> сглаживание импульсных помех — конденсатором Сос*
Дифференцирующее и сглаживающие свойства рассмотренной схемы ОУ характеризуются операторной передаточной функцией
Z (р) R 1 + pR С 1+рТ
М =___= ос__________вх вх = _к_______Д_ (2.33)
' Z (р) R 1+рЛ С 1 + рТ *
вх г ос ос г аз
В формуле передаточной функции приняты следующие обозначения коэффициентов:
R
К =—— — коэффициент усиления ОУ;
вх
7, = ^вк^вк — постоянная времени дифференцирующего канала регулятора;
7^3 = 7?осСос — постоянная времени апериодического звена, сглаживающего импульсные помехи.
ПИД-регуляторы. Схема регулятора с пропорционально-интегрально-дифференциальным законом регулирования и инвертированным усилением ОУ показана на рис. 2.14. К инвертирующе-
Рис. 2,14. Схема ПИД-регулятора
му входу усилителя подключен резистор параллельно дифференцирующему конденсатору Свк> в обратную связь последовательно с интегрирующим конденсатором Сос включен резистор Roc. В рассматриваемой схеме интегрирование обеспечивается конденсатором обратной связи
Сос, пропорциональное усиление резистором дифференцирование конденсатором С .
Соотношение входного и выходного напряжений схемы пропорционального интегрировано -дифференцированного усиления определяется уравнением:
1г du
и +------ L dt+R С . (2 34)
ВХ Д С J БХ ВХ К Л V ' ос ос 7
Интегрирующие, дифференцирующие и усилительные свойства рассмотренной схемы ОУ характеризуются операторной передаточной функцией ПИД-регулятора:
и вых
ОС я
| I вх вх
R Q+pR С )(l + pR С )
ТТЛ / ОС у ОС ОС вх вх
Л pR С
вх ОС ОС
(1 + рГ )(1 + рТ)
и Д (2.35) рТ и
В формуле передаточной функции приняты следующие обозначения коэффициентов:
R
К =—— — коэффициент усиления ОУ;
Ги = i?ocCOc — постоянная времени интегрирующего канала регулятора;
71 = 7L-C _ — постоянная времени дифференцирующего кана-ла регулятора.
Компараторы представляют собой устройства, выходной сигнал которых изменяется ступенчато (скачком) при достижении входного сигнала определенного уровня, называемого уровнем переключения. Если компаратор переключается при переходе входного сигнала через нулевой уровень, его называют нуль-компаратор.
Компаратор предназначен для преобразования сигнала непрерывного по уровню в дискретно изменяющийся сигнал. Функции компаратора реализуются на операционном усилителе без обратной связи. Компараторы подразделяют на устройства с прямыми и инверсными характеристиками переключения.
Схема нуль-компаратора с прямой характеристикой переключения показана на рис. 2.15* а. Входное напряжение подается на прямой вход ОУ. Инвертирующий вход усилителя подключается к общей точке схемы.
в
Рис. 2,15, Схемы компараторов: а — нуль-компаратор с прямой характеристикой переключения; б — компаратор с прямой характеристикой переключения; t? — компаратор с инвертированной характеристикой переключения
Характеристика переключения компаратора показана на рис. 2.16? а. Выходное напряжение усилителя достигает уровня ограничения при ничтожно малом входном напряжении Увк = 0,001— 0,002 В, так как усилитель усиливает входное напряжение с коэффициентом К = (5—10) • 103*
Характеристика переключения нуль-компаратора при одинаковом масштабе входного и выходного напряжений показана на рис* 2.16? б. Если на инвертирующий вход подать постоянное напряжение смещения (7СМ от дополнительного источника (см* рис. 2*15, б)> характеристика переключения компаратора будет смещена вдоль оси абсцисс на величину напряжения смещения (см* рис. 2.16, tf).
Для реализации инверсной характеристики переключения компаратора (рис* 2.16, г) переменный входной сигнал надо подать на инвертирующий вход, а постоянное напряжение смещения на прямой вход (см* рис. 2*15, #)*
Рис. 2.16. Характеристики компараторов: а — характеристика усиления ОУ без обратной связи; б — характеристика нуль-компаратора; в — неинвертированная характеристика компаратора; г — инвертированная характеристика компаратора
Диаграммы преобразования синусоидальных сигналов в дискретные компараторами с прямой и инверсной характеристиками переключения при положительном смещении показаны на рис. 2.17, а, б соответственно.
Электронные реле- Характеристика переключения электронного реле отличается от характеристики компаратора наличием гистерезиса, Электронное реле (триггер Шмитта) реализуется на операционном усилителе с применением положительной обратной связи, т е. выход усилителя соединяется резистором с прямым (положительным) ВХОДОМ.
б
Рис. 2.17. Диаграммы преобразования сигналов компараторами: а — с не инвертированной характеристикой переключения; б — с инвертированной характеристикой переключения
Различают схемы электронных реле с прямой и инверсной характеристиками переключения* Схема электронного реле с прямой характеристикой переключения показана на рис. 2*18, а* Переменное по уровню входное напряжение подается на прямой (неинвертирующий) вход. Входной резистор RBX и резистор R3, подключающий прямой вход к общей точке схемы, образуют делитель напряжения, так что на прямой вход усилителя подается падение напряжения на резисторе R3* Инвертирующий вход подключен к общей точке усилителя резистором R2* Резистор R^ соединяет выход усилителя с прямым входом, образуя положительную обратную СВЯЗЬ*
При подаче питания выходное напряжение усилителя устанавливается на уровне ограничения, например + (7отр* Через резистор Roc на прямой вход будет подано напряжение обратной связи, удерживающее выходное напряжение на установленном уровне:
и ~ \ -и . (2.36)
3 ос
Для переключения выходного напряжения усилителя на уровень отрицательного ограничения (— (7огр) надо подать на прямой вход отрицательное напряжение, равное по величине напряжению обратной связи:
Рис. 2.18. Схемы электронных реле: а — с симметричной неинвертированной характеристикой переключения; б — с несимметричной неинвертированной характеристикой переключения; в — с симметричной инвертированной характеристикой переключения; г — с несимметричной неинвертированной характеристикой переключения
(2.37)
иди
&+Л _£7 =з---вхц t
ПР R.+R ОГР э ОС
(2.38)
Характеристика прямого переключения электронного реле показана на рис, 2.193 а.
Включение электронного реле на уровень положительного ограничения выходного напряжения происходит при положительном входном напряжении, определяемом аналогичной формулой
Рис. 2.19. Характеристики переключения электронных реле: а — симметричная неинвертированная; б — несимметричная инвертированная; в — симметричная инвертированная; г — несимметричная инвертированная
Л+Л
Ц = __3-----вх/рг X (2 39)
вкл Jt+J? 4 огр7
3 ос
Смещение характеристики по оси абсцисс (рис. 2.19, о) достигается подачей на инвертирующий вход постоянного напряжения смещения от независимого источника (см. рис* 2.18, б). Напряжение включения реле на положительный уровень выходного сигнала в этом случае определяется формулой
л+д
U =ц —3—у
ВКЛ CM _R +_R 0гР 3 ос
(2.40)
Напряжение переключения реле на отрицательный уровень:
и -у R3+R1BXU . (2.41)
пр см j? 4-Д ОГР
3 ос
Ширина петли характеристики переключения устанавливается соотношением сопротивлений резисторов R1BX> R3> и Roc:
Л6;-2(/?1вх 1
R,+R ог₽
3 ос
(2-42)
Схема электронного реле с инверсной характеристикой показана на рис, 2.18, в. Переменное входное напряжение в этом случае подается на инвертирующий вход. Характеристика инверсною переключения электронною реле показана на рис* 2.193
Напряжение включения электронною реле на положительный уровень определяется формулой
(2-43)
Напряжение переключения электронного реле на отрицательный уровень определяется формулой
и --------—и . (2.44)
пр R, +R ог₽ 3 ос
Ширина петли характеристики переключения устанавливается соотношением сопротивлений резисторов R3 и Roc:
AtA
---— ,
R+Л
3 ос
(2.45)
Смещение характеристики по оси абсцисс достигается подачей постоянного напряжения от независимого источника на один из входов, например на прямой вход. Схема, реализующая смещение характеристики переключения, показана на рис. 2*18, г, характеристика показана на рис* 2*19, г* Напряжение включения реле на положительный уровень в этом случае определяется формулой
и вкл
огр
(2.46)
Напряжение переключения реле на отрицательный уровень
и =---------и +——и . {2А1)
ПР V*1bx СМ О1Р
Диаграммы входною и выходного напряжения электронною реле с прямой и инверсной характеристиками переключения при положительном смещении показаны на рис. 2*20, а, б.
Рис. 2.20. Диаграммы переключения сигналов электронными реле: а — с неинвертированной характеристикой переключения; б — с инвертированной характеристикой переключения
2.2. Цифровые микросхемные элементы
Логические операции- Основы логической алгебры составляет ряд логических правил и логических преобразований, позволяющих формально, посредством логических уравнении, проектировать и анализировать технические устройства, выполняющие многофункциональные операции в системах автоматического управления.
Каждая из переменных в логических уравнениях может быть представлена двумя взаимно исключающими состояниями: есть— нет, включено—выключено, событие свершилось—не свершилось. Одно из состояний или событий, свершившееся, условно в системе положительной логики обозначают противоположное событие, не
свершившееся, обозначают «О». Такие обозначения позволяют выражать и преобразовывать в цифровых кодах неограниченное число событий и состояний сложнейших компьютерных систем автоматического управления.
Простейшими логическими операциями, отображающими всевозможные логические преобразования являются операции: логическое отрицание, логическое сложение, логическое умножение.
Логическое отрицание (инверсия). Условное сокращенное название операции логического отрицания — НЕ. В логических выражениях операцию логического отрицания обозначают чертой над переменной, называемой инверсией: У = X (переменная Y есть инверсия переменной X).
Операция логического отрицания характеризуется соотношением переменных, приведенным в табл* 2.2,
Таблица 2.2
Соотношение переменных при логическом отрицании
X 1 0
Y = X 0 1
Условное обозначение на схемах модуля логического отрицания (инвертора) показано на рис. 2*21, а. Кружок «о& на выходе модуля означает инверсию сигнала*
Логическое сложение (дизъюнкция). Условное сокращенное название операции логического сложения — ИЛИ. В логических выражениях операцию логического сложения обозначают символом «у». Операция логического сложения подразумевает действие с двумя и более переменными, например XI, Х2 и т,д. Их логическая сумма обозначена Y = XI v Х2 (Y равен XI или Х2). На схемах элемент
логический сумматор; в — логический сумматор с инверсией; г — логический перемножитель; д — логический перемножитель с инверсией
логического сложения обозначают, как показано на рис* 2.21, & В логических преобразованиях используется также понятие инверсии логического сложения Y = XI v Х2, которое на схемах обозначают, как показано на рис. 2*21, в.
Операция логического сложения и его инверсия характеризуются соотношениями переменных, приведенными в табл. 2*3.
Таблица 2.3
Соотношение переменных при логическом сложении
XI 1 1 0 0
Х2 1 0 1 0
Y = XI v Х2 1 1 1 0
Y= XI v Х2 0 0 0 1
Логическое умножение (конъюнкция). Условное сокращенное название операции логического умножения — И. В логических выражениях операцию логического умножения обозначают символом Операция логического умножения подразумевает действие с двумя и более переменными, например XI, Х2 и т.д* Их логическое произведение обозначено Y = XI & Х2 (Y равен XI и Х2)*
На схемах элемент, выполняющий логическое умножение обозначают, как показано на рис. 2*21, г. В логических преобразованиях используется также понятие инверсии логического произведения У = XI & Х2 , которое на схемах обозначают, как показано на рис* 2.21, д. Операция логического умножения и его инверсия характеризуются соотношениями переменных, приведенными в табл* 2*4*
Таблица 2.4
Соотношение переменных при логическом умножении
XI 1 1 0 0
Х2 1 0 1 0
Y = XI & Х2 1 0 0 0
Y = X1&X2 0 1 1 1
Цифровые микросхемные модули. Предназначены для обработки, преобразования и хранения цифровой информации*
Серия микросхемных модулей содержит элементы, объединенные по функциональному назначению: логические элементы, триггеры, счетчики, преобразователи кодов, элементы арифметических
устройств. Микросхемы, входящие в состав серии, имеют единое конструктивно-техническое исполнение, единое напряжение питания, одинаковые уровни сигналов логического нуля и логической единицы. Микросхемы одной серии можно электрически соединять входами-выходами напрямую, без элементов, согласующих уровни входных -выходных сигналов. Основой каждой серии цифровых микросхем являются базовые логические модули И-НЕ, И-ИЛ И-НЕ.
Д инамической характеристикой микросхемных модулей является интервал времени задержки передачи сигнала при переключении с низкого уровня на высокий, а также при обратном переключении с высокого уровня на низкий (рис. 2.22).
Рис. 2,22, Характеристика переключения сигналов логическим элементом
Наибольшее распространение получили микросхемы ТТЛ (транзисторно-транзисторная логика на основе биполярных транзисторов) серий К155, К555 и микросхемы на основе КМДП структур (комплементарные структуры металл—диэлектрик—полупроводник) серий К176, К561. Техническая характеристика микросхемных серий приведена в табл. 2.5.
Таблица 2.5 Техническая характеристика микросхемных серий
№ п/п Параметр К155, К555 К176, К561
1 2 3 4
1 Напряжение питания В 5(±10 %) 3-15
2 Уровень логических сигналов: логический нуль (0)э В логическая единица (1), В <0,4 >2,4
Окончание табл. 2.5
1 2 3 4
3 Потребляемая мощность по входу Рвх, мВт 20-50 0,2—0,5
4 Нагрузочная способность — число подключаемых входов <10 <100
5 Максимальная рабочая частота Z МГц 10 1,0
6 Задержка передачи сигналов 'эд’нс 20 200
Логические модули И-НЕ серии К555. Эквивалентные схемы модуля И-НЕ серии К555 приведены на рис* 2*23, На схеме слева показан выходной усилительный каскад VT01—VT02 логического модуля , сопряженного с рассматриваемым. Модуль И-НЕ состоит из четырех транзисторных каскадов.
а +5 В
Рис. 2.23. Эквивалентные схемы модуля И-НЕ серии К555: а — логическое перемножение сигналов 1&1; б — логическое перемножение сигналов 1&0
Входной логический каскад представляет собой многоэмиттер-ный транзистор VT1. Если на все входы подать напряжение высокого уровня XI = 1, Х2 = 1, то эмитгерный переход транзистора окажется закрытым (рис* 2.23, а)* При этом ток, протекающий через резистор R1 и коллекторный переход транзистора VII3 откроет транзистор VT2 (на рис. 2.23 открытые транзисторы заштрихованы). Падение напряжения на резисторе R3 будет достаточным для открывания транзистора VT5, замыкающего выход схемы на общую шину. Напряжение на коллекторе транзистора VT2 будет таким, что транзистор VT3 будет закрыт. Транзистор VT4 включен по схеме эмиттерного повторителя, поэтому тоже будет закрыт. В результате на выходе логического модуля будет сигнал низкого уровня Y = 0. Таким образом, модуль выполняет операцию логического умножения и инвертирования логического произведения И-НЕ.
В том случае, если на одном из входов модуля будет сигнал низкого уровня, например: XI = 1, Х2 = О, транзистор выходного каскада предыдущего модуля VT02 будет открыт и замкнет эмиттер транзистора VII на общую шину (рис* 2.23, б)* База транзистора VT2 не имеет положительного смещения, транзисторы VT2, VT5 будут закрыты. Транзистор VI3 получит положительное смещение от источника питания и будет открыт. Транзистор VT4 включен по схеме эмиттерного повторителя VT3, поэтому тоже будет открыт* В результате на выходе модуля будет сигнал высокого уровня от источника питания Y = 1. Диаграмма логических сигналов, характеризующих логическое умножение, показана на рис* 2.24.
Входы логических модулей, не подключенные к выходам других модулей, называют свободными или неиспользованными. При со-
Рис. 2,24, Диаграмма логического умножения сигналов
славлении логических схем неиспользованные входы модулей И-НЕ могут оставаться неподключенными, те. свободными. В целях повышения помехозащищенности свободные входы рекомендуется включать параллельно с используемыми входами модулей.
Логические модули И-ИЛИ-НЕ серии К555, Эквивалентные схемы модуля И-ИЛИ-НЕ серии К555 показаны на рис. 2.25* Схема а +5 В
Рис. 2.25. Эквивалентная схема модуля И-ИЛИ-НЕ серии К555: а — логическое перемножение и сложение сигналов 1&0V1&1; б — логическое перемножение и сложение сигналов 1&0V1&0
состоит из двух одинаковых модул ей И-НЕ, подключенных параллельно к общему выходному каскаду, составленному из транзисторов VT4—VT5—VT6.
Если на всех входах модуля будут сигналы высокого уровня XI1 = = 1, Х12= 1, Х21 = 1, Х22= 1, то базы транзисторов VT2, VT8 получат положительное смещение. Эти транзисторы будут открыты. Соответственно будут открыты диоды VD1, VD2 и транзистор выходного каскада VT6. В то же время транзисторы VT3—VT4, VT5— VT7 будут заперты. Сигнал на выходе модуля в этом случае будет иметь низкий уровень Y=Xll&X12vX21&X22 = 0.
В том случае, когда на одном из входов модуля будет сигнал низкого уровня, например XII = 1, Х12 = О, Х21 = 1, Х22 = 1, (рис, 2.25, а), вход 12 модуля будет подключен к общей шине транзистором VT02 выходного каскада предыдущего модуля. Поэтому база транзистора VT2 не получит положительного смещения. Этот транзистор будет закрыт. База транзистора VT3 получит положительное смещение от источника питания. В результате транзисторы VT3, VT4 будут открыты, В то же время на входах 21, 22 будут сигналы высокого уровня Х21 = 1, Х22 = 1. Транзисторы VT8, VT6 будут открыты, a VT7, VT5 закрыты. В^результате на выходе модуля сохранится сигнал низкого уровня У = 0 *
Если на каждой паре входов будет по одному сигналу низкого уровня, например XII = 1, Х12 = О, Х21 = 1, Х22 = 0 (рис. 2,25, б), то в этом случае транзисторы выходного каскада VT4, VT5 будут открыты, а транзистор VT6 закрыт. Поэтому на выходе модуля будет сигнал высокого уровня Y = XI 1& XI2 v Х21& Х22 = 1. Свободные входы модуля ИЛИ-НЕ надо обязательно подключать к общей шине схемы или включать параллельно используемым входам.
Диаграмма логических сигналов, характеризующих логическое перемножение, показана на рис. 2,26,
Примерами логических модулей И-НЕ являются микросхемы К555ЛА1, К555ЛАЗ, показанные на рис. 2.27, а, б, примером логического модуля И-ИЛИ-НЕ — микросхема К555 ЛР4, показанная на рис. 2.27, Модуль К555 ЛР4 дополнительно содержит транзисторный каскад усиления мощности выходного сигнала, подключение которого при неинвертированном усилении выходного сигнала показано на схеме рис, 2,28, а. В случае необходимости инвертирования выходного сигнала схема включения выходного каскада
хи h п п п п п р п п п п п п п п г
X12I—1 г| ъ “1 г “1 г t
Х21 1 1 —1 1 —1 1 t
Х22 1 t
YI — t
YI — — — — — — t
Рис. 2,26, Диаграмма преобразования сигналов модулем И-ИЛИ-НЕ
Рис. 2.27. Графические изображения логических модулей: а — 2 х4 И-НЕ; б- 4x2 И-НЕ; в - 2x4 И-ИЛИ-НЕ
Рис, 2.28. Схемы включения усилительного выходного каскада: а — прямое усиление; б — инвертированное усиление
усиления показана на рис. 2,28 , б. Такие модули называют микросхемами с открытым коллекторным выходом.
Логические модули И-НЕ серии К176. Эквивалентная схема модуля И-НЕ серии К176 показана на рис. 2.29, а. Модуль содержит две пары МДП-транзисторов с каналами р-п-р и п-р-п проводимостей. При одновременной подаче на входы модуля XI и Х2 сигналов высокого уровня запираются р-л-р-канальные транзисторы VT1, VT2 и открываются п-р-п-канальные транзисторы VT3, VT4. На выходе модуля будет сигнал низкого уровня, равный инверсии логического произведения сигналов У = XI <£Х2, и соответствующий логическому 0* Если на одном из входов, например XI, будет сигнал низкого уровня, то откроется р-п-р-канальный транзистор VT1 и закроется п-р-п-канальный транзистор VT3. На выходе модуля будет напряжение высокого уровня, соответствующее логической 1.
Логические модули ИЛИ-HE серии К176. Эквивалентная схема модуля ИЛИ-HE серии К176 показана на рис. 2.29, б. При одновременной подаче на входы модуля XI и Х2 сигналов низкого уровня отпираются р-п-р-канальные транзисторы VT1, VT2 и запираются п-р-п-канальные транзисторы VT3, VT4. На выходе модуля будет сигнал высокого уровня, соответствующий логической 1. Если на одном из входов, например XI, будет сигнал высокого уровня, то закроется р-к-р-канальный транзистор VT1 и откроется л-р-я-ка-
+ ^пит
VT2
Х1&Х2
Y = XIVX2
Рис. 2.29. Эквивалентные схемы модулей серии К176: а — И-НЕ; б — ИЛИ-НЕ
наивный транзистор VT3. На выходе будет сигнал низкого уровня, равный инверсии логической суммы сигналов Y = XlvX2, соответствующий логическому О*
Генераторы тактовых сигналов выполняются на базе логических элементов. Схема генератора, представленная на рис. 2.30, составлена из трех логических инверторов НЕ, включенных последовательно. Схема имеет две обратные связи: жесткую, охватывающую три элемента, и гибкую (конденсаторную), охватывающую один элемент. Обратная связь, охватывающая нечетное количество элементов, приводит к переключению уровней сигналов; при четном количестве элементов происходит фиксация уровня выходного сигнала. При переключении уровня сигналов конденсатор С1, перезаряжаясь, закорачивает элемент DD2. В результате жесткой обратной связью будет охвачено четное количество инверторов, обеспечивая устойчивое состояние схемы, пока не произойдет перезаряд конденсатора С1 до уровня переключения инвертора. Выходной каскад DD4 схемы генератора — логический инвертор НЕ — подключен выходом к источнику питания 4-5 В для усиления мощности выходного сигнала и исключения влияния выходной нагрузки на частоту переключения схемы.
Рис. 2.30. Схемы тактовых генераторов: а — с фиксированной частотой тактовых сигналов; б — с регулируемой частотой тактовых сигналов
(2-48)
Зависимость частоты переключений от емкости конденсатора выражается приближенной формулой, Гц:
з-io5
С1
Рекомендуемая емкость конденсатора С1 = (30—500) пФ обеспечивает диапазон частоты генерируемых сигналов от 600 Гц до 10 кГц. Схема, показанная на рис. 2.30* б, позволяет регулировать частоту тактовых сигналов переменным резистором R1 в широком диапазоне. Например, при емкости конденсатора С1 = 0,1 мкФ диапазон регулируемой частоты составляет от 10 до 100 кГц. Недостатком таких генераторов является чувствительность к изменению питающего напряжения. Например, при снижении напряжения питания на 0,5 В (10 %) частота уменьшается на 20 %.
Высокая стабилизация частоты тактовых сигналов достигается применением кварцевых резонаторов. На рис, 2.31, а показана схема генератора со стабилизированной частотой тактовых сигналов f = 1 МГц. В схеме применен кварцевый резонатор QZ1 с частотой
Рис, 2,31. Схемы тактовых генераторов с кварцевыми резонаторами: а — с фиксированной частотой тактовых сигналов; б — с регулируемой частотой тактовых сигналов
1 МГц. Необходимое условие работы схемы — постоянная времени цепи должна превышать период колебаний кварцевого резонатора R1C1>1/Z
На рис. 2.31, б показана схема генератора с кварцевым резонатором QZ1 и конденсатором переменной емкости (варикондом) С1, позволяющим регулировать частоту тактовых импульсов. Емкость вариконда изменяется в пределах (5—30) нФ. Частоту следования выходных сигналов генератора можно изменять, устанавливая на выходе делитель частоты с необходимым коэффициентом деления.
Триггеры представляют собой переключающие элементы с двумя входами и двумя выходами, соединенными перекрестными положительными обратными связями (рис, 2.32, а).
Триггер имеет два устойчивых состояния, характеризуемых взаимно противоположными по уровню сигналами. Переключение из одного состояния в другое происходит релейно (скачком). Триггер удерживает установленное состояние неограниченно долго при отсутствии входных сигналов.
RS-триггер. Функциональная схема простейшего однокаскадного асинхронного триггера показана на рис. 2.32, б. Входы триггера обозначены символами S {set — установка) и R {reset — переключение) , прямой выход Q {quit — покидать), инверсный выход Q.
Триггер переключается в единичное состояние (Q = 1, Q = 0) информационным сигналом по S-входу высокого уровня (S = 1), сигнал по R-входу должен быть низкого уровня (R = 0). Переклю
Рис. 2.32. Условные обозначения RS-триггеров: а — функциональная схема; б — однокаскадный (несинхронна ированный) триггер; в — двухкаскадный (синхронизированный) триггер
чение триггера в нулевое (инверсное) состояние (Q = 0? Q = 1 производится сигналом высокого уровня по R-входу (R = 1), Сигнал по S-входу должен быть низкого уровня (S = 0), Диаграмма переключения сигналов триггером показана на рис. 2*33 , а.
Однокаскадный триггер чувствителен к импульсным помехам и может переключится от случайного сигнала, как показано на диаграмме рис. 2.33, а. Такой триггер называют асинхронным (несин-хронизируемым).
Защита от помех достигается использованием двух каскадов (рис* 2*32, в). Первый (входной) каскад называют логическим. Он обеспечивает переключение только при совпадении двух сигналов — информационного S = 1 или R = 1 и тактирующего (синхронизирующего) С = 1. Второй (выходной) каскад называют удерживающим, так как он обеспечивает удерживание на неотраниченное время установленного состояния триггера* Двухкаскадный триггер на-
б
Рис. 2.33. Диаграммы переключения сигналов RS-триггера: а — несинхрони-зированного; б — синхронизированного
зывают тактируемым иди синхронным. Состояние триггера на л-й такт можно характеризовать логическим уравнением
Q = S &С vR <£С . (2.49)
*я я я n я
Диаграмма переключения сигналов тактируемым RS-триггером показана на рис. 2.33, б.
Серии микросхем не содержат специальных модулей RS-триггеров. Функцию RS-триггера можно реализовать на основе логического модуля, например К555 ЛАЗ, по схемам рис. 2.32, б, в.
D-триггер представляет собой триггер задержки — тактируемый, двухкаскадный, имеющий два входа: Г>^— информационный, С — тактовый, и два выхода: Q — прямой, Q — инверсный. Функциональная схема триггера показана на рис. 2.34, а. Триггер переключается в единичное состояние (Q=l, Q = 0) при совпадении информационного сигнала высокого уровня D = 1 и тактового сигнала С = Переключение триггера в нулевое (инверсное) состояние (Q = О, Q = 1) производится тактовым импульсом С = 1 при информационном сигнале низкого уровня D = 0.
Рис. 2,34, Схемные обозначения D-триггера: а — функциональная схема; б — микросхемный модуль К555ТМ2
Диаграммы переключения сигналов триггером показаны на рис. 2*35. Состояние триггера на к-й такт характеризуется логическим уравнением, отображенным в табл. 2.6:
Q =D &С vft п. (2.50)
Таблица 2.6
Алгоритм переключения Р-трмггера
Л 1 2 3 4
С 0 1 0 1 0 1 0 1
D 1 1 0 0 0 0 1 1
Q 0 1 1 0 0 0 0 1
Q 1 0 0 1 1 1 1 0
Из диаграммы рис. 2.35 видно, что триггер задерживает на выходе установленную информацию до переключения очередным тактовым сигналом на интервале Д/3> поэтому D-триггер называют триггером задержки (D — delay — задержка).
D-триггеры выполняются в виде микросхемных модулей, например К555ТМ2 (см. рис* 2.34, б). Инверсные входы R1?S13R2,S2 предназначены для начальной установки триггера в нулевое или единичное состояние сигналами НИЗКОГО уровня, соответственно si, S2 или R1?R2.
Т-триггер. Двухкаскадный тактируемый счетный триггер имеет только один тактовый вход и переключается из единичного в ну-
Рис. 2,36, Т-триггер: а — функциональная схема; б — диаграмма сигналов
левое состояние и обратно тактовым импульсом С = 1, Поэтому Т-триггер называют тактовым или спусковым (Т — togle — чека). Функциональная схема триггера показана на рис, 2*36, а. Триггер двухкаскадный и может быть составлен из D-триггера посредством подачи сигнала инверсного выхода на D-вход. Состояние триггера на л-й такт можно характеризовать логическим уравнением, отображенным в табл* 2,7:
= Сп 4 Ц>-1> v Си 4 • (2-51)
Диаграмма переключения сигналов Г-триггером показана на рис* 2*36, б. Из рисунка видно, что частота выходных сигналов триггера в 2 раза меньше частоты тактовых сигналов. Следовательно, триггер представляет собой делитель частоты*
Таблица 2.7
Алгоритм переключения Т-трнггера
п 1 2 3
С 0 1 0 1 0 1
Q 0 1 1 0 0 1
Q 1 0 0 1 1 0
JK-триггер. Универсальный тактируемый двухкаскадный триггер имеет два информационных входа J, К, тактовый вход С и два выхода: Q — единичный (прямой), Q — инверсный. Функциональная схема триггера показана на рис. 2*37, а.
Универсальный JK-триггер переключается комбинацией информационных сигналов* При поочередной подаче сигналов на вхо-
Рис. 2,37, Схемные обозначения JK-триггера: а — функциональная схема;
б — микросхемный модуль К555 ТВ1
ды J и К триггер переключается как RS-триггер, при этом сигнал J= 1 переключает триггер в единичное (прямое) состояние Q = 1, а сигнал К= 1 — в инверсное состояние. При одновременной подаче сигналов на входы J и К триггер переключается как Т-триггер на каждый тактовый сигнал С.
Логический каскад триггера имеет обратные связи инверсных сигналов выходного каскада. Между логическим и выходным каскадами включены линии задержки, предотвращающие сбой переключения каскадов.
Состояние триггера на л-й такт можно характеризовать логическим уравнением, отображенным в табл* 2.8
о, (2.52)
Таблица 2.8
Алгоритм переключения Ж-тршгера
п 1 2 3 4
С 0 1 0 1 0 1 0 1
J 1 1 0 0 1 1 1 1
К 0 0 1 1 1 1 1 1
Q 0 1 1 0 0 1 1 0
Q 1 0 0 1 1 0 0 1
JK-триггер выполнен в виде микросхемного модуля, например К555 ТВ1? показанного на рис. 2.37, б. Каждый триггер модуля имеет по три J и К входа, объединенных операцией логическогопере-множения Кроме того, имеются установочные входы R и S для начальной установки триггера сигналами низкого уровня соответственно в единичное или нулевое состояние. Диаграмма переключения сигналов триггером показана на рис* 2.38.
23. Преобразователи цифровых и аналоговых сигналов
Счетчики импульсов подразделяют на суммирующие, вычитающие, реверсивные и, кроме того, на счетчики с последовательным и параллельным переносом информации.
Счетчики с последовательным переносом информации состоят из последовательной цепи счетных Т-триггеров, выход каждого из которых соединен со входом последующего триггера* Функциональная схема четырехразрядного суммирующего счетчика показана на рис. 2*39, а.
Каждый триггер представляет собой двоичный разряд (бит) двоичного кода* На вход первого триггера подаются тактовые импульсы. Этот триггер представляет собой младший разряд (МР) двоичного кода* Старший разряд (СР) представляет последний в цепи триггер. Если на входы триггеров каждого разряда передается информационный сигнал с инверсного выхода триггера предыдущего разряда, то счетчик производит суммирование тактовых импуль-
Рис. 2,39, Схемы суммирующих счетчиков: а — с коэффициентом счета 16; б — с коэффициентом счета 10
сов, а при передаче сигналов с прямых выходов — вычитание тактовых импульсов.
Диаграмма преобразования тактовых импульсов в информационные сигналы двоичных разрядов счетчика показана на рис. 2.40, а. Поразрядная числовая информация на каждый тактовый импульс представлена в табл. 2.9. Из диаграммы рис, 2.40, а и табл* 2.9 вид-
,1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17
с Ьппппоппоппппппппг
Qtftzi_1=1_1=1_1=1_1=1_1=1_1=1_=1_1=
QI I-1 I---1 I---1 I---1 I--t
Q2|___I -1_____I -1_t
Q31______________I I__t
6 Д 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 c □□□□□□□□□□□□□□□□______t
Q0 l=i_i=i_i=i_i=_i=i_i=i_i=i_1=1_t
QI I-1 I-1 I--D-1 I---1~ I
Q2 I_I —1_______I ___
Q31________। ।_________
Рис. 2.40. Диаграммы преобразования импульсных сигналов суммирующими счетчиками: д — с обнулением на 16-м такте; б — с обнулением на 10-м такте
но, что максимальное хранимое число тактовых импульсов для четырехразрядного счетчика при заполнении разрядов единицами составляет 15. На 16-м такте все разряды счетчика обнуляются, а на 17-м такте счет начинается сначала*
Числовую информацию счетчика на п-й импульс тактового сигнала С = 1 можно выразить формулой
М=Q0 • 2° + QI-21 + Q2 22 + Q3 • 23. (2.53)
Таблица 2.9
Числовая информация двоичных разрядов суммирующего счетчика
С 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16
Q3 0 0 0 0 0 0 0 1 1 1 1 1 1 1 1 0
Q2 0 0 0 1 1 1 1 0 0 0 0 1 1 1 1 0
Q1 0 1 1 0 0 1 1 0 0 1 1 0 0 1 1 0
Q0 1 0 1 0 1 0 1 0 1 0 0 0 1 0 1 0
Коэффициентом счета называют максимальное хранимое число счетчика, увеличенное на 1* Для четырехразрядного счетчика коэффициент счета равен К^ = + 1 = 16* Требуемый коэф-
фициент счета Ксч можно задать схемой обнуления* Например, на рис* 2*39, б показана схема счетчика с коэффициентом счета Ксч = = 10, т.е* с обнулением всех разрядов счетчика на 10-м такте. Диаграмма преобразования тактовых импульсов для такого счетчика с коэффициентом счета = 10 показана на рис* 2*40, б.
Суммирующие счетчики тактовых импульсов С используют в качестве делителей частоты. Коэффициент счета в этом случае является коэффициентом деления частоты тактовых импульсов. Четырехразрядные счетчики выполняют в виде модуля, например К555 ИЕ5, схемное обозначение которого показано на рис. 2*41, а. Модуль содержит два тактовых входа Cl, С2. Переключение разрядов счетчика этого модуля производится по заднему (спадающему) фронту тактовых импульсов.
При подаче тактового сигнала С на вход С2 счетчик переключает три разряда QI, Q2, Q3 и имеет максимальный коэффициент счета К^ = 8* Если соединить выход Q0 с тактовым входом С2, а тактовый сигнал С подать на вход С1, то счетчик становится четырехразрядным, с максимальным коэффициентом счета Ксч =16.
Рис. 2.41. Схемные обозначения суммирующих счетчиков К555 ИЕ5: а — с коэффициентом счета 16; б — с коэффициентом счета 10
Модуль содержит две пары дополнительных входов &R, используемые для установки требуемого коэффициента счета. Схема счетчика с коэффициентом счета Ксч = 10 показана на рис. 2*41, б.
Шифратор производит преобразование одиночного сигнала параллельного десятичного кода в «-разрядный двоичный код* Эквивалентная схема шифратора показана на рис* 2.423 а, преобразование кода производится в соответствии с табл* 2.9*
Дизъюнкгор младшего разряда выходного двоичного кода выдает сигнал высокого уровня при подаче сигнала высокого уровня на шину десятичного кода с нечетным номером, так как при преобразовании нечетного числа десятичного кода в младшем разряде МР двоичного кода должна получиться 1* Дизъюнкгор первого среднего разряда выходного двоичного кода выдает сигнал высокого уровня при подаче сигнала высокого уровня на шины 2, 3, 6, 7 десятичного кода, так как при преобразовании этих чисел десятичною кода в первом среднем разряде двоичного кода должна получиться 1. Дизъюнкгор второю среднего разряда ВЫХОДНОГО ДВОИЧНОГО кода выдает сигнал высокого уровня при подаче сигнала высокого уровня на шины 4, 5, 6, 7 десятичною кода, так как при преобразовании этих чисел десятичного кода во втором среднем
Рис. 2.42. Эквивалентные схемы: а — шифратора сигналов; б — дешифратора сигналов
разряде двоичного кода должна получиться 1. Микросхемный модуль шифратора обозначают символами CD-coder. Шифратор может быть использован в схеме аналогово-цифрового преобразователя. В качестве примера на рис* 2*43, а. показано условное схемное обозначение модуля шифратора К501ИВ1П.
Дешифратор выполняет преобразование параллельного н-разрядного двоичного кода в параллельный десятичный код по индивидуальному выходу. Эквивалентная схема дешифратора показана на рис* 2*42, б* Любому входному двоичному коду в пределах 0000— 1010 соответствует низкий уровень сигнала только на одном индивидуальном выходе. Формирование сигнала низкого уровня на соответствующем выходе десятичного кода производится конъюнк-тором с инверсией, перемножающим сигналы высокого уровня по всем двоичным разрядам, установленные на прямых и инверсных шинах в соответствии с табл. 2*9* На всех остальных выходах сохраняется высокий уровень сигнала* Микросхемный модуль дешифратора обозначают T)C-decoder.
В качестве примера на рис* 2.43, б показано условное схемное обозначение модуля дешифратора К555 ИД1* Дешифратор может быть использован в устройстве выходного десятичного сегментно-
a
Хй XI
X2
ХЗ
X4
X5
X6 X7
X8
X9
CD
2°
2*
2*
23
Y0
б
Y1
Y2
Y3
Рис. 2,43, Обозначения микросхемных модулей: а — шифратора сигналов; б — дешифратора сигналов
го индикатора числовой информации, а также для распределения сигналов включения или выключения по цепям управления аппаратов электрического подвижного состава*
Мультиплексор представляет собой коммутатор 2Л информационных сигналов параллельных входов на один выход Q. Эквивалентная схема мультиплексора с четырьмя информационными входами и разрешающим сигналом выборки VI низкого уровня показана на рис, 2*44, а. На входы D0—D3 подаются информационные сигналы высокого уровня, на входы Al, А2 — кодирующие сигналы, на вход VI разрешающий сигнал выборки низкого уров
Рис. 2,44. Мультиплексор: а — эквивалентная схема; б — микросхемный модуль
ня. Коммутация информационных сигналов характеризуется логическим уравнением
Q = nO&H&A2vDl&Al&A2vm&Ai&A2vn3&Al&A2r (2.54)
Диаграмма преобразования сигналов мультиплексором показана на рис 2*45* Микросхемный модуль мультиплексора обозначают MX-multiplexer. В качестве примера на рис* 2.44, б показано условное схемное обозначение модуля мультиплексора К555КП2.
Djer
D1
D2
Демультиплексор представляет собой коммутатор информационных сигналов одного D-входа на 2Л параллельных выходов* Эквивалентная схема демультиплексора с четырьмя информационными выходами показана на рис. 2.46, а.
Коммутация информационных сигналов характеризуется логическими уравнениями:
eO=Zl&l2&D;
J 61 = Л1&Л2&Д (255)
62=Т1&Л2&Д
еЗ = Л1&Л2&А
a
б
Рис. 2.46. Схемы демультиплексора: а — эквивалентная схема; 6 — микросхемный модуль
Микросхемный модуль мультиплексора обозначают DMX-^femu/ft-plexer. В качестве примера условное схемное обозначение модуля демультиплексора показано на рис. 2*46, б.
Аналоговые электронные ключи предназначены для передачи информационных сигналов DIH с входа на выход и выполняются по КМОП-технологии. Условное схемное обозначение электронного ключа показано на рис. 2*47, а. Ключ управляется цифровым с иг-
Рис. 2.47. Электронный ключ: а — микросхемный модуль; б — эквивалентная схема
налом ОЕ {output enable — открытие выхода)> переводящим его в открытое или закрытое состояние. При наличии сигнала управления высокого уровня ОЕ = 1 ключ открыт, при управляющем сигнале низкою уровня ОЕ = о закрыт. Закрытое состояние ключа характеризуется большим выходным импедансом (сопротивлением), его обозначают Z-состоянием. Одной из важнейших характеристик электронных ключей является их линейность — степень независимости передаточной функции (величины сопротивления открытого состояния) от уровня входного коммутируемого напряжения. Ключи можно считать линейными только при малых уровнях входных сигналов по сравнению с величиной напряжения питания и уровнем управляющего сигнала. Аналоговый электронный ключ обозначают SW (switch). Для примера на рис. 2.47, б показана схема коммутации цепи резисторов аналоговыми электронными ключами.
Аналогово-цифровой преобразователь предназначен для преобразования аналогового сигнала (непрерывною по уровню напряжения) в цифровой двоичный код. Эквивалентная схема аналогово-цифрового преобразователя (АЦП) на девять дискретных уровней показана на рис. 2.48, а. Компараторы DAI—DA9 переключаются на положительный уровень выходною напряжения с дискретностью изменения входною напряжения Дивк = 1 В. Уровень переключения компараторов задан отрицательным смещением на инвертирующие входы от идеального источника питания +15 В. Диоды VD1—VD9 обеспечивают нулевой уровень выходных сигналов шифратора, когда компараторы DA1—DA9 переключены на отрицательный уровень выходною напряжения. Шифратор DD1 преобразует выходные сигналы компараторов DAI—DA9 в параллельный цифровой двоичный код.
В качестве примера на рис 2.49, а показано условное схемное изображение интегральной микросхемы аналогово-цифрового преобразователя К1113ПВ1А. Микросхема предназначена для преобразования входною (7ВК униполярного или биполярного напряжения в выходной прямой двоичный код. Частота следования импульсов внутреннею генератора тактовых импульсов 300—400 кГц, АЦП устанавливается в рабочее состояние внешним сигналом низкою уровня V- По окончании преобразования входною напряжения в цифровой код АЦП вырабатывает сигнал RED (готовность данных) и информация поступает на ВЫХОДНОЙ регистр цифровых данных
Рис. 2.48. Эквивалентные схемы преобразователей сигналов: а — АЦП; б — ЦАП
б
Z— Z—
состояние данные состояние данные
Рис. 2,49. Микросхемный модуль АЦП: а — схема модуля К1113ПВ1А; б — диаграмма преобразования сигналов
DI— D10, имеющий три устойчивых состояния (рис* 2,49? б)* Z-co-стояние (закрытое) формирует на выходе сигнал низкого уровня, готовность (данные) — высокий уровень выходных сигналов 2,4 В (1) по цифровым выходам DI— D10, а также низкий уровень 0,4 В (0). Старший регистр (СР) — выход D1, младший регистр (МР) — выход D10* Максимальный уровень униполярного входного напряжения — 10 В* В режиме биполярного преобразования выход «0->» (см. рис* 2.49, а) соединяют с общим выходом. Максимальный уровень биполярного входного напряжения ±5 В.
Цифроаналоговый преобразователь предназначен для преобразования дискретных во времени сигналов параллельного цифрового двоичного кода в дискретно изменяющийся по уровню аналоговый сигнал. Схема цифроаналогового преобразователя (ЦДЛ) показана на рис. 2*48, б.
Выходы двоичных разрядов инверторов DD2 объединены схемой резисторного цепного делителя напряжения на неинвертирующий вход операционного усилителя DA1, суммирующего по уровню сигналы двоичных разрядов, преобразованные делителем напряжения. Выходной сигнал высокого уровня каждого двоичного разряда модуля DD2 подается на параллельный вход цепного ре
зисторного делителя напряжения. Выходной сигнал низкого уровня двоичного разряда модуля DD2 подключает соответствующий параллельный вход резисторного делителя напряжения к общей шине схемы* Таким образом, цепной резисторный делитель производит суммирование напряжений двоичных разрядов модуля DD2 на входе операционного усилителя DA1 с дискретностью по уровню 1/16 выходного напряжения младшего числового разряда МР (2°) модулей DD2, 1/g — числового разряда (21), 1/д — числового разряда (22), I/2 — старшего числового разряда СР (23). Уровень выходного напряжения ЦАП устанавливается посредством изменения уровня образцового напряжения или коэффициента усиления выходного усилителя DA1*
В качестве примера на рис. 2*50 показано условное схемное изображение интегральной микросхемы цифроаналогового преобразователя К572ПА1А Микросхема производит преобразование входного цифрового кода в ток аналогового выхода, пропорциональный значениям цифрового кода и образцового напряжения С4»бр* Для получения на выходе напряжения, пропорционального цифровому коду, к ЦАП необходимо подключить внешний источник образцового напряжения /7обр и операционный усилитель DA1 с отрицательной обратной связью, работающий в режиме суммирования входных токов /р /2* С выходом микросхемы ЦАП К572ПА1А согласуется операционный усилитель К154УДЗ. Напряжение биполярного источника питания С^бр = ±15 В, образцовое напряжение униполярное 17обр = ±17 В. Конденсатор С1 обеспечивает частот-
D1 D2 D3 D4 D5 D6 D7 DS D9 D1C D/A К,.
/| 4
OV + U
> FC
* tu
Рис. 2,50, Микросхемный модуль ЦАП К572ПА1А
ную коррекцию, конденсаторы С23 СЗ — защиту от помех по источнику питания, диоды VD1, VD2 — защиту входов операционного усилителя от перегрузки по входному току.
2.4, Генераторы пилообразного напряжения
Аналоговый генератор с пассивным интегратором (пилообразного напряжения) представляет собой низкочастотный генератор повторяющихся сигналов, линейно нарастающих во времени с периодическим сбросом до нуля или минимального уровня. Состоит из конденсатора с линейным зарядом от источника постоянного напряжения и усилителя выходного сигнала. Схема генератора пилообразного напряжения пассивным интегратором, ведомого синхроимпульсами, показана на рис. 2,51, а, диаграмма изменения сигналов показана на рис, 2.52, а.
Рис. 2.51. Схемы аналоговых ГПН: а — с пассивным интегратором; б — с активным интегратором
Рис. 2,52, Диаграммы преобразования сигналов аналоговыми ГПН: а — с пассивным интегратором; б — с активным интегратором
Заряд конденсатора С1 происходит от источника питания 4-15 В через резистор R3 по экспоненциальному закону: t
(2.56)
Сброс пилообразною напряжения производится транзистором VT1, отпираемым синхроимпульсом Постоянная времени цепи заряда конденсатора С1 выбирается так? чтобы использовать линейную часть функции изменения напряжения заряда (R3C1 < т). Операционный усилитель DA1 с прямым усилением усиливает напряжение конденсатора и р
Отрицательное смещение характеристики усилителя DA1 (цепь резистора R4) обеспечивает компенсацию падения напряжения на эмитгер-коллекторном переходе транзистора VTL Требуемая амплитуда пилообразною напряжения устанавливается коэффициентом усиления выходною усилителя DA1, Подобные генераторы используются в блоках фазового управления БФУ-535 (БУВИП-133) и БРФ-176 (БУРТ-16) электровозов переменною тока ВЛ85, ВЛ80С,
Аналоговый генератор с активным интегратором предназначен для автоматического управления тиристорным импульсным преобразователем напряжения с широтно-импульсной модуляцией. Схема генератора, ведомого синхроимпульсами, показана на рис. 2.51, б, а диаграмма изменения его сигналов — на рис. 2.52, й Входной усилитель DA1 является компаратором с инверсной характеристикой переключения и положительным смещением. При положительном уровне выходного напряжения компаратора DA1 усилитель DA2 интегрирует это напряжение, формируя сигнал пилообразного вида* При подаче синхроимпульса на инвертирующий вход усилителя DA1 его выходное напряжение переключается с положительного уровня на отрицательный, сбрасывая пилообразный сигнал до уровня, близкого к нулю.
Напряжение на выходе усилителя DA2 линейно нарастает при отрицательном уровне, так как усилитель DA2 инвертирует входной сигнал. Необходимая амплитуда пилообразного напряжения устанавливается величиной входного резистора R5:
U =-U ™ вк Л5С1
При отрицательном импульсе входного напряжения усилителя DA2 происходит переключение сопротивления входного резистора диодом VD1 на малую величину R4« R5, при которой постоянная времени интегратора существенно уменьшается, обеспечивая быстрый сброс выходного напряжения. Диод VD2 в обратной связи усилителя DA2 ограничивает выходное напряжение на уровне порогового напряжения диода {7q*
При переключении входного сигнала DA2 на положительный уровень постоянная времени интегратора изменяется на бблыпую величину, когда входное напряжение превышает пороговое напряжение обоих диодов. При этом выходное напряжение генератора скачком возрастает на величину 2{70.
Цифровой генератор пилообразного напряжения состоит из триггерного счетчика тактовых импульсов DD1, цифроаналогового преобразователя в виде резисторного цепного делителя напряжения и выходного аналогового усилителя DA1. Схема четырехразрядного цифрового генератора пилообразного напряжения показана на рис* 2.53.
(2.57)
DD1
Рис. 2,53, Схема цифрового ГПН
Диаграмма изменения сигналов генератора пилообразного напряжения показана на рис. 2.54. На каждый такт генератора тактовых импульсов -П-С выходное напряжение усилителя DA1 дискретно увеличивается на максимального выходного напряжения усилителя DA1. Необходимая амплитуда пилообразного напряжения устанавливается посредством коэффициента усиления выходного усилителя DA1, Сброс пилообразного напряжения производится мгновенно на 16-й такт При обнулении триггерного счетчика DDL После обнуления процесс дискретного нарастания вы-
Рис. 2,54, Диаграмма преобразования сигналов цифровым ГПН
ходного напряжения повторяется. Изменение частоты следования сигналов пилообразного напряжения можно выполнить только посредством изменения частоты тактовых сигналов С, подаваемых на вход генератора*
2*5. Фазорегуляторы
Фазорегуляторы осуществляют преобразование непрерывных по уровню (аналоговых) сигналов управления в дискретные по времени периодические сигналы, имеющие интервальную (фазовую) задержку относительно импульсных сигналов синхронизации. Фазорегулятор предназначен для создания периодических сигналов управления электронными полупроводниковыми приборами силовых преобразователей исполнительных устройств*
Функциональная схема фазорегулятора показана на рис* 2*55* В состав фазорегулятора входит генератор периодических сигналов пилообразной формы i/дд (ГПН)? устройство сравнения (УС) периодических сигналов и непрерывного по уровню сигнала управления и?* компаратор (К), а также формирователь выходных импульсных сигналов (ФИ)*
Диаграмма преобразования сигналов фазорегулятором показана на рис* 2.56* Переключение компаратора К фазорегулятора происходит в момент превышения пилообразным сигналом уровня напряжения управления ц^* Интервальная (фазовая) задержка формирования выходного сигнала относительно синхроимпульса производящего сброс пилообразного напряжения, пропорциональна уровню непрерывного сигнала управления:
и
(2.58)
1 и
ПЛ
Выходной формирователь сигналов ФИ производит преобразование знакопеременного периодического изменяющегося напряже-
Рис. 2,55, Функциональная схема фазорегулятора
компаратора в сигналы, согласованные по уровню и длитель-
НИЯ ности с цепями управления силовыми электронными приборами исполнительных устройств*
Фазорегулятор блока БРФ-176. Принципиальная схема фазорегулятора блока регулирования фазы БРФ-176 блока управления реостатным торможением БУРТ-16 электровоза ВЛ80С показана на рис. 2.57, а, а диаграмма преобразования его сигналов на рис. 2*58, а.
Компаратор DA1 имеет положительную обратную связь посредством резисторов R3, R4, предназначенную для исключения «электронного дребезга» (многократных высокочастотных переключений) при наличии высокочастотных помех (шума) в составе сигнала. Пилообразное напряжение подается на инвертирующий вход компаратора DA1. Напряжение управления и? фазорегулятора подается на прямой (неивертирующий) вход усилителя* На выход компаратора включен транзисторный усилитель VII формирования импульсов выходных сигналов Г7фр фазорегулятора* Выходное дифференцирующее устройство (конденсатор С1, диод VD3) формирует выходной импульс при отпирании транзистора VT1 по переднему фронту положительного импульса выходного напряжения {7фр компаратора DA1* Фазовый интервал ар выходного сигнала фазорегулятора пропорционален уровню напряжения U? сигнала управления U у а = л—— Р U пл
(2.59)
-15 В
б R1
Рис. 2,57, Схемы аналоговых фазорегуляторов: а — блока БРФ-176; б — блока БФУ-535
Рис. 2,58, Диаграммы преобразования сигналов аналоговыми фазорегуляторами: а — блока БРФ-176; б — блока БФУ-535
Фазорегулятор блока БФУ-535. Принципиальная схема фазорегулятора блока фазового управления БФУ-535 системы управления выпрямительно-инверторным преобразователем БУВИП-133 электровозов ВЛ85 показана на рис* 2*57, б, а диаграмма преобразования периодических сигналов — на рис* 2.58, б. Компаратор DA2 производит сравнение пилообразного напряжения, подаваемого на инвертирующий вход с напряжением управления сформированным на интегрирующем усилителе DA1. Усилитель DA1 имеет постоянное отрицательное смещение (—12 В) через резистор R2 для реализации инверсной функции управления фазорегулятора (с увеличением напряжения фазовый интервал ар уменьшается). В обратную связь усилителя включен интегрирующий конденсатор С1 и резистор R1, обеспечивающие необходимую инерционность преобразования сигнала управления. Обратная связь по инверсному сигналу фазорегулятора, замыкающаяся через инвертор DD1 и резистор R1, обеспечивает пропорциональность преобразования сигнала управления усилителя DA1 и повышает стабильность работы фазорегулятора*
Транзисторный усилитель VT1 инвертирует выходной сигнал компаратора DA2, формируя выходной сигнал фазорегулятора высокого уровня, при отрицательном уровне выходного сигнала компаратора DA2. Инвертор DD1 формирует инверсный сигнал обратной связи фазорегулятора, подаваемый на вход усилителя DA1* Зависимость фазового интервала ctp выходного сигнала фазорегулятора от напряжения задающего устройства Lf определяется формулой •3J
(2.60)
Цифровой фазорегулятор сформирован на основе цифрового генератора пилообразного напряжения. Принципиальная схема фазорегулятора показана на рис* 2.59, а диаграмма преобразования сигналов — на рис* 2.60. Счетная микросхема СТ и цепная схема резисторов образуют генератор пилообразного напряжения ГПН. Компаратор DA1 производит сравнение дискретно нарастающего пилообразного напряжения, подаваемого на прямой вход с напряжением управления Цу подаваемым на инвертирующий вход компаратора.
DD1
Рис. 2,59. Схема цифрового фазорегулятора
Рис, 2.60. Диаграмма преобразования сигналов цифровым фазорегулятором
Пока напряжение управления превышает по уровню пилообразное, на выходе компаратора будет отрицательное напряжение* Переключение компаратора на положительный уровень выходного сигнала происходит, когда напряжение ГПН превысит по уровню напряжение управления. Интервальная задержка формирования выходного сигнала положительного уровня относительно момента сброса пилообразного напряжения, пропорциональная уровню сигнала управления, определяется формулой (2*58).
2.6. Измерительные преобразователи (датчики) сигналов
Датчик тока на основе трансформатора постоянного тока (ТП7) предназначен для измерения тока силовой цепи и преобразования его в электрический сигнал, передаваемый в систему автоматического управления. Датчик тока состоит из двух тороидальных ферромагнитных сердечников с прямоугольной характеристикой перемагничивания. На каждый сердечник намотана рабочая обмотка С числом витков wp. Обмотки выполнены с противоположной намоткой и соединены последовательно или параллельно. В отверстия обоих сердечников пропущена силовая шина с числом витков w = 1 , по которой протекает измеряемый ток /.
Датчик тока с последовательным соединением рабочих обмоток применен в системах автоматического управления тормозными режимами электровозов переменного тока ВЛ80Т, ВЛ80С, ВЛ80Р, ВЛ65? ВЛ85, электровозов постоянного тока ВЛ ИМ, в системах автоматического управления тяговыми и тормозными режимами электропоездов переменного тока ЭР9Т, ЭД9Т? электропоездов постоянного тока ЭТ2, ЭТ2М. Электрическая схема датчика показана на рис* 2.61, а*
К обмоткам подведено переменное напряжение создающее в обмотках переменный ток /р. Выходное напряжение датчика формируется в виде падения напряжения на выходном резисторе датчика Rjp включенном в диагональ выпрямительного моста.
Рис. 2.61. Схемы датчика тока на основе ТПТ: а — схема включения рабочих обмоток; б — принципиальная схема датчика
Постоянный ток I силовой цепи намагничивает оба сердечника до состояния глубокого насыщения. Переменный ток рабочих обмоток каждую полуволну поочередно, размагничивает один из сердечников создавая намагничивающую силу (н.с*) jpwp встречного направления с нх. силового тока L Поэтому поочередно один из сердечников насыщен, а другой перемагничивается. Намагничивающая и размагничивающая силы обозначены СПЛОШНЫМИ И штриховыми стрелками на рис* 2.613 а.
Напряжение мр, приложенное к цепи, уравновешивается ЭД С, индуктируемой в рабочих обмотках, и падением напряжения на сопротивлениях цепи:
41U sino/ = (2r + R )/ S— + w 5—, (2,61)
р v Р н'р р $ р v 7
где Л1 — сечение сердечника;
гр — сопротивление рабочей обмотки,
В насыщенном сердечнике, например правом (см* рис. 2.61, а),
изменение индукции _______ ничтожно мало и величиной ЭД С, ин-
dt
дуктируемой в рабочей обмотке этого сердечника, можно пренебречь* ЭД С обмотки перемагничиваемого сердечника будет изменяться так, чтобы обеспечить на интервале перемагничевания такую величину тока /р, при которой алгебраическая сумма намагничивающих сил силовой шины I и рабочей обмотки / равна нулю:
+ (2.62)
где Нс — коэрцитивная сила;
I — средняя длина магнитной цепи сердечника.
Величиной коэрцитивной силы Н при прямоугольной характеристике перемагничивания сердечника можно пренебречь по сравнению с намагничивающими силами токоведущей шины и рабочей обмотки. Отсюда следует, что в процессе перемагничивания на интервале полупериода мгновенное значение рабочего тока остается неизменным и равным:
/ =—I- (2-63)
Р
С учетом сделанных допущений решение дифференциального уравнения для цепи датчика имеет вид
В=5н - ' V2I7p cos(co/ - а) - (2г + /?н )// . (2.64)
р
Отсюда следует, что магнитная индукция в перемагничиваемом сердечнике изменяется в виде функции косинуса от состояния насыщения 2?н на величину Д2? и обратно до насыщения.
Диаграмма изменения физических величин датчика тока показана на рис. 2.62. Ток рабочих обмоток прямоугольной формы имеет
Рис. 2.62. Диаграммы преобразования сигналов датчиком тока с последовательным соединением рабочих обмоток
фазовый сдвиг на угол а относительно напряжения питания. Фазовый сдвиг обусловлен тем, что часть полупериода мгновенного
значения напряжения питания wp превышает по величине падение напряжения на сопротивлениях цепи рабочего тока.
Баланс напряжений в цепи создает ЭДС рабочих обмоток
w 5----
р Л
направленная встречно протекающему току. При этом
н.с* рабочей обмотки превышает н.с* токоведущей шины датчика на величину (—Нс1) и сердечник размагничивается разностью н*с, (jpWp —Д (рис* 2*63, а). При равенстве напряжения мр и падения напряжения (2гр + г);р ЭДС рабочих обмоток равна нулю, а величина индукции размагничиваемого сердечника достигает экстремума (см* рис. 2*62), Дальнейшее уменьшение мгновенного значе-
ния напряжения приводит к снижению величины рабочего тока /р. Намагничивающая сила рабочей обмотки становится меньше н.с* силовой шины датчика на величину (+J?c0* Сердечник бу-
дет намагничиваться до насыщения +7?н разностью н.с. (I — ipWp)-
Теперь ЭДС обмотки этого сердечника w 5— будет направлена р Л
согласно с током /р и будет его поддерживать, пока не произойдет насыщение сердечника*
Рис. 2.63. Характеристики датчика тока на основе ТПТ: а — характеристика перемагничивания сердечника; б — выходная характеристика датчика
В момент насыщения обоих сердечников ЭДС рабочих обмоток пренебрежимо мала, а мгновенное значение рабочего напряжения имеет достаточную величину, поэтому происходит изменение направления тока ip в рабочих обмотках по линейному закону за короткий интервал времени, после чего повторяется процесс перемагничивания в правом сердечнике. Выходное напряжение датчика в момент изменения направления тока каждый полупериод имеет провал до нуля. Для сглаживания этих провалов в выходную цепь датчика включают 7?ф—Сф фильтр, придающий датчику инерционность. Электрическая схема датчика с выходным 7?ф—Сф фильтром показана на рис* 2.61, б.
Статическая характеристика датчика линейна, так как определяется падением напряжения на выходном резисторе тока рабочих обмоток, пропорциональным силовому току:
и = K i = К — I.
дг нр н w р
(2.65)
Характеристика датчика униполярная, так как выходное напряжение не зависит от направления тока силовой шины. Величи
на выходного напряжения не зависит от уровня напряжения питания. Вместе с тем выходной сигнал датчика имеет ограничения
по уровню питания:
(2.66)
Л
U д=0,9-----—U
даб 2r +R Р Р Н
При синусоидальной форме питающего напряжения существу
ет предельное значение выходного сигнала, при котором сохраняется линейность характеристики датчика, обусловленная синусоидальной формой напряжения питания.
(2-67)
2л/2 R
U =—cosa . U -----------Р—= 0,844(7 я,
дп д. mm р 2Г +J? даб’
Р н
где — наименьшее значение угла сдвига фазы тока ;р относительно на-
пряжения Ир; = 32°,
Предельная величина силового тока, пропорционально измеряемая датчиком:
(2.68)
В случае необходимости расширения диапазона измеряемого тока надо уменьшить величину выходного сопротивления датчика. Характеристика датчика тока при разных сопротивлениях выходной цепи (Ви2 < Кц]) показана на рис. 2*63 , й
Уровень допустимого напряжения между силовой и измерительной цепями датчика тока обеспечивается изоляцией токоведущей шины и составляет 2—4 кВ.
Датчик тока с параллельным соединением рабочих обмоток применен в системе автоматическою управления рекуперативно-реостатным торможением электропоездов постоянною тока ЭР2Т, ЭТ2. Конструкция и принцип действия датчика тока с параллельным соединением рабочих обмоток аналогичны датчику тока с последовательным соединением рабочих обмоток. Различаются схемы питания обмоток и формирования выходного сигнала. Электрическая схема датчика показана на рис. 2.64.
Напряжения питания рабочих обмоток (одинаковые по
величине, но противоположные по фазе) подаются от гальваничес-
Рис. 2,64, Электрическая схема датчика тока с параллельным соединением рабочих обмоток
ки не связанных обмоток питающего трансформатора (на рис, 2.64 не показаны). Рабочие обмотки подключены к выходному резистору схемы через диоды VD2, VD6 и VD3, VD5, разделяющие подвод тока к резистору RH по полупериодам питающего напряжения. Диаграмма напряжении, магнитной индукции сердечников и токов обмоток датчика приведена на рис. 2.65.
Диоды VD1, VD4 и балластные резисторы RB1 RE2 создают контуры протекания токов рабочих обмоток, н.с. которых в нерабочую полуволну питающего напряжения каждой обмотки совпадает с н.с. силовой токовой шины. В результате ферромагнитные сердечники датчика в нерабочую полуволну поочередно перемагничиваются до насыщения (индукция Лн). В рабочую полуволну ток каждой
Рис. 2.65. Диаграмма преобразования сигналов датчиком тока с параллельным соединением рабочих обмоток
рабочей обмотки /р1 /р2 поочередно создает намагничивающую силу, направленную встречно н.с* I токоведущей шины. ЭД С обмотки перемагничиваемого сердечника будет изменяться так, чтобы обеспечить на интервале перемагничивания величину тока /р> определяемую соотношением (2.63), так что намагничивающие силы токоведущей шины и рабочей обмотки равны (7= ipwp).
Изменение направления токов /р1, /р2 в рабочих обмотках должно происходить в начале каждой полуволны изменения рабочего напряжения. Вследствие действия ЭДС, обусловленной перемагничиванием сердечника в рабочую полуволну, ток соответствующей рабочей обмотки /р| или /р2 будет поддерживаться неизменным, пока не произойдет насыщение сердечника. В момент насыщения сердечника ток /р1 или гр2 падет до нуля, открывается соответственно диод VD1 или VD4 в нерабочую полуволну питающего напряжения и скачком возрастет ток /Б1 или /Б2, протекающий через балластные резисторы RE1 или RE2. Замещение тока /р1 или ;р2, протекающего по выходному резистору происходит раньше, как только создаются потенциальные условия для отпирания диодной пары VD2, VD6 или VD3, VD5. Поэтому падение напряжения на выходном резисторе датчика RH не имеет провалов, обусловленных изменением направления протекания тока в рабочих обмотках.
Датчик така LEM функционирует на основе использования эффекта Холла. ЭДС Холла создается подвижными носителями электрических зарядов в магнитном поле перпендикулярного направления по отношению к векторам магнитного поля и носителям зарядов. Устройство датчика LEM показано на рис* 2.66.
Датчик состоит из тороидального ферромагнитного сердечника с зазором. В отверстие сердечника пропущена силовая шина, по которой протекает измеряемый ток 7, создающий магнитный поток в сердечнике.
В зазоре сердечника установлена тонкая пластина полупроводникового материала (рис. 2.67, а), по которой протекает ток управления от стабилизированного источника тока GI. С боковых граней полупроводниковой пластины, перпендикулярных к векторам магнитного потока Ф и тока управления I снимается ЭДС Холла:
X
— ф/, d) у
где К — константа полупроводникового материла; d — толщина пластины.
(2.69)
В пределах линейной части характеристики намагничивания сердечника магнитный поток, пронизывающий пластину, пропорционален измеряемому току I силовой шины, пропущенной через сердечник; следовательно, ЭД С Холла пропорциональна измеряемому току L
^изм
Рис. 2,66, Принципиальная схема датчика тока LEM
Рис. 2.67. Схемы датчика тока LEM: а — схема измерения ЭД С Холла; б — схемное обозначение датчика тока LEM
Измеряемая ЭДС Холла Д. усиливается операционным усилителем DA1. Выходной сигнал датчика формируется транзисторной парой VT1—VT2 в виде тока измерения / , пропорционального току силовой шины. Контур тока /изм замыкается через общую точку двуполярного источника питания датчика. Для расширения диапазона измерения силового тока на сердечник датчика намотана обмотка обратной связи woc> создающая намагничивающую силу встречного направления, пропорциональную току силовой шины.
Выходной сигнал датчика тока для обеспечения помехозащиты передается в систему автоматического управления током измерения гизм равным 100—200 мА и выделяется в виде падения напряжения на резисторе нагрузки RH (см. рис. 2.66). Для обеспечения стабильности и линейности характеристики датчика в цепь измеряемого тока включен внутренний балластный резистор RE*
Усилители датчика обеспечивают пропорциональное преобразование тока силовой шины в ток измерения с постоянным коэффициентом:
I
(2.70)
Таким образом, выходная характеристика датчика линейна и пропорциональна току силовой шины:
и =R KJ. (2.71)
вых и 1 47
Характеристика датчика биполярная, т.е. выходной сигнал изменяет свое направление с изменением направления силового тока (рис. 2.68, я). Характеристика датчика имеет ограничение по уровню напряжения источника питания. Предел пропорционально измеряемого тока 1П превышает величину номинального силового тока датчика в 1,5 раза.
Динамическая характеристика датчика определяется максимальным запаздыванием /3 изменения выходного сигнала по отношению к току силовой шины на уровне 90 % конечной величины при скорости изменения 50 А/мкс (см. рис. 2.68, б). Время задержки нарастания выходного сигнала при изменении силового тока до 90 % номинальной величины составляет t3<3 мкс.
Максимальная частота изменения измеряемых токов с допустимым запаздыванием составляет 100 кГц. Напряжение питание датчика — биполярное с нулевой точкой и в зависимости от номиналь-82
Рис. 2,68. Характеристики датчика тока LEM: а — выходная; б — динамическая
ного измеряемого тока составляет 15—24 В. Диапазон измеряемого тока силовых датчиков от 100 до 4000 А. Выходное напряжение датчика находится в пределах 5—8 В.
В типовом датчике тока, например LT-500S(T)? цифра обозначает номинальный ток, индекс S — обычное исполнение, индекс Т в скобках — транспортное исполнение. Уровень допустимого напряжения между силовой и измерительными цепям обеспечивается изоляцией токоведущей шины и составляет 2—4 кВ. Условное схемное обозначение датчика тока LEM показано на рис. 2.67, б. Датчики тока LEM применены в системах автоматического управления тяговыми и тормозными режимами электровозов переменного тока ЭП1, ЭП1М, в системах автоматического управления тормозными режимами электропоездов постоянного тока, ЭТ2ЭМ, ЭД4, ЭД4М.
Датчик напряжения на основе трансформатора постоянного напряжения {ТИН) предназначен для измерения напряжения силовой цепи и преобразования его в электрический сигнал, передаваемый в систему автоматического управления. Принцип действия датчика напряжения аналогичен принципу действия датчика тока на основе ТПТ. Датчик состоит из двух тороидальных ферромагнитных сердечников с прямоугольной характеристикой перемагничивания. На каждый сердечник намотана рабочая обмотка с числом витков w . Обмотки выполнены с противоположной намоткой и соединены последовательно. Поверх рабочих обмоток наложена общая измерительная обмотка с большим числом витков и сопротивлением гвк, по которой протекает малый измерительный ток /вх.
В цепь измерительной обмотки включен балластный резистор RE. Электрическая схема датчика напряжения показана на рис* 2.69, я* Коэффициент преобразования сигнала датчика напряжения определяется коэффициентом трансформации и сопротивлением выходного резистора RH:
=-^J? *
Wp И
вд
(2.72)
Величина измерительного тока определяется измеряемым напря
жением (7ВК и суммарным сопротивлением входной цепи:
г вх
вк Г +J? вх б
(2.73)
Выходное напряжение датчика определяется выражением
U вых
и w и
ВХ ВХ _ ВХ j£-
г +R_ w н г +R-вх о р вх о
(2-74)
Датчик постоянного напряжения на основе ТПН применен в системе автоматического управления рекуперативным торможением САУРТ-034 электровозов ВЛ ИМ для измерения напряжения контактной сети и ввода преобразованного сигнала в регулятор напряжения.
Дат ник напряжения LEM функционирует так же, как датчик тока на основе использования эффекта Холла. Главное отличие состоит
Рис. 2.69. Схемы датчиков напряжения: а — на основе ТПН; б — на основе эффекта Холла
в первичной измерительной цепи, обмотка которой изготовлена с большим количеством витков и сопротивлением Г (рис* 2.69, б). Это позволяет создать необходимое количество ампер-витков для образования магнитного потока в сердечнике при минимальном значении первичною измерительного тока определяемого величинами измеряемою входною напряжения (7ВК и сопротивления обмотки 7^* Для измерения напряжения достаточно обеспечить первичный ток, пропорциональный измеряемому напряжению, который преобразуется датчиком в выходное напряжение* Это достигается включением последовательно с первичной измерительной обмоткой балластного резистора R^* Этот резистор может быть как внешним, так и встроенным* Усилители датчика обеспечивают пропорциональное преобразование тока входной измерительной обмотки в ток измерения с постоянным коэффициентом
I
(2-75)
вх
Выходная характеристика датчика линейна, пропорциональна току входной измерительной обмотки и, следовательно, измеряемому напряжению (7ВК:
U = U KTR * (2.76)
ВЫХ r _|_ D ВХ 1 Н
ВХ О
Датчики углов коммутации предназначены для измерения интер
валов коммутации полупроводниковых приборов силовых преобра-
зователей. Основу датчика углов коммутации составляет трансформатор тока, работающий в режиме холостою хода. Принципиальная схема датчика тока показана на рис* 2*70*
Токоведущая шина силового тока I пропущена в отверстие ферромагнитною сер-
Рис. 2.70. Схема датчика углов коммутации
Рис. 2,71, Диаграмма преобразования сигналов датчиком углов коммутации
дечника трансформатора тока (ТТ). Трансформатор тока дифференцирует ток силовой шины. На интервале коммутации силовой ток изменяется с высокой скоростью3 поэтому ЭДС в измерительной обмотке возрастает скачком.
Диаграмма изменения сигналов датчика углов коммутации показана на рис. 2.71.
Для ограничения ВЫХОД НОГО напряжения к измерительной обмотке подключен дроссель насыщения (ДН). Выходной сигнал датчика угла коммутации формируется на выходе выпрямительного моста VD1—VD4 в виде прямоугольного импульса падения напряжения на стабилитроне VD5 выходной цепи. Длительность импульса напряжения соответствует интервалу коммутации у.
Уровень допустимого напряжения датчиков углов коммутации обеспечивается изоляцией токоведущей шины и составляет 2—4 кВ. Датчики углов коммутации на основе трансформаторов тока применены в системах управления выпрямительно-инверторными преобразователями электровозов переменного тока с зонно-фазовым регулированием напряжения ВЛ80Р3 ВЛ65, ВЛ85> ЭП13 ЭП1М, 2ЭС5К.
2.7. Формирователи импульсов и драйверы
Формирователи импульсов предназначены д ля создания импульсов управления заданной амплитуды, мощности и длительности по сигналам микроэлектронных приборов. Сформированные импульсы управления обеспечивают связь электронных блоков управления с силовыми электронными приборами преобразователей. Протяженность коммуникаций передачи сигналов составляет десятки метров в условиях воздействия мощных электромагнитных полей. Для обеспечения высокой помехозащищенности амплитуда формируемых импульсов управления должна быть не менее 20 В при токе нагрузки 035—1 А.
Основу формирователя импульсов составляет ключевой элемент — транзистор или маломощный тиристор и импульсный трансформатор с ферромагнитным сердечником. Импульсный трансформатор выполняет функцию дифференцирующего элемента и обеспечивает гальваническую развязку входной и выходной цепи с высоким потенциальным уровнем изоляции.
Принципиальная схема формирователя импульсов выходных усилителей БВУ-549 блоков управления выпрямительно-инверторных преобразователей электровозов ВЛ65? ВЛ85 показана на рис. 2*723 а диаграмма изменения сигналов и формирования выходных импульсов — на рис. 2,73* Входной импульс управления длительностью 70 мкс поступает на вход элемента Dl*l? представляющего собой инвертор. На выход элемента D1Л включена обмотка согласующего трансформатора Т1 последовательно с конденсатором С1* Инвертированный на выходе D1Л импульс замыкает цепь разряда конденсатора С1 через первичную обмотку трансформатора Т1? передавая импульс со вторичной обмотки на вход транзисторных ключей VT1, VT2. В кол-
Рис. 2.72.Схема формирователя импульсов блока БВУ-549
Ь___D____□___и_
Рис. 2,73, Диаграмма формирования импульсных сигналов БВУ-549
лекторную цепь выходного транзистора VT2 включена первичная обмотка Н1-К1 выходного импульсного трансформатора Т2, который формирует на интервале открытого состояния транзистора VT2 выходной импульс напряжением 20 В и длительностью 70 мкс, обеспечивая гальваническую развязку цепей электронного блока управления и цепей управления преобразователя. Напряжение питания составляет 55 В, поэтому для уменьшения амплитуды напряжения и увеличения тока выходных импульсов коэффициент трансформации импульсного трансформатора Т2 принят равным 2. Включение обмотки подмагничивания Н2-К2 на постоянное напряжение питания через ограничивающий резистор R4 обеспечивает перемагничивание сердечника трансформатора по полному циклу.
Диод VD3 исключает перенапряжение в коллекторной цепи транзистора VT2. Элементы С2, R2, VD2, VD5 являются помехоподавляющими. Импульсы управления с выходов блока ЕВУ поступают на входы усилителей — формирователей импульсов выпрямительно-инверторных преобразователей.
Усилитель — формирователь импульсов предназначен для одновременного управления силовыми тиристорами плеча выпрямительноинверторного преобразователя электровозов ВЛ65, ВЛ85, включенных последовательно-параллельно, а также приборов одного плеча управляемого выпрямителя возбуждения тяговых электродвигателей электровозов BJI65, ВЛ85 в режиме рекуперации. Усилитель — формирователь импульсов представляет собой блокинг-генератор с транзисторным ключом, формирующий импульсы амплитудой 20 В и длительностью 800 мкс. Схема усилителя — формирователя импульсов показана на рис. 2.743 диаграмма изменения сигналов и формирования выходных импульсов — на рис. 2.75* Питание осуществляется выпрямленным напряжением уровнем 50 В. Через сглаживающий фильтр L—С1 и транзисторные ключи VT7—VT9 напряжение подается на первичную обмотку Н1-К1 импульсного трансформатора Т1 с числом витков Wp Обмотка размагничивания Н4-К4, включенная встречно первичной обмотке Н1-К1, позволяет создать начальное смещение индукции сердечника (—5Н) по петле гистерезиса. Начальное смещение регулируется переменным резистором R5, чем устанавливается продолжительность перемагничивания сердечника импульсного трансформатора Т1 по полному циклу до конечного значения индукции 5К. Резисторы R5, R6 служат для ограни-
VS01 VS02 VS03 VS04
Рис. 2,74, Схема усилителя — формирователя импульсов управления силовыми тиристорами
чения тока в обмотке размагничивания. Параллельно включенные транзисторы VT7—VT9, работающие в ключевом режиме, до подачи управляющего импульса находятся в закрытом состоянии. После подачи импульса управления на базы транзисторов через диод VD5 и резистор R12, ограничивающий сигнал управления по току, тран
зисторы открываются и по цепи база—эмиттер транзисторов VT7—VT9 потечет ток. Последний нарастает лавинообразно вследствие трансформации электромагнитной энергии в обмотку обратной связи НЗ-КЗ*
Уравнение равновесия напряжения и ЭДС
Рис, 2,75. Диаграмма формирования импульсов управления тиристорами ВИП
цепи первичной обмотки импульсного трансформатора при отпирании транзисторных ключей VT7—VT9 имеет следующий вид:
U = J (2,77)
пит э11 1 Л
где — эквивалентное сопротивление цепи первичной обмотки Н1-К1
трансформатора Т1;
j — сечение сердечника импульсного трансформатора Т1,
Длительность выходных импульсов определяется временем перемагничивания сердечника импульсного трансформатора Т1:
(Л +2? ))М
— к н' 1 п
(2,78)
- У Л ± * ПИТ Э1 1
Токи между транзисторами VT7—VT9 распределяются равномерно за счет резисторов R7—R9, включенных в эмиттерные цепи транзисторов. Конденсатор С24 и резистор R13 служат для обеспечения помехозащищенности и необходимого смещения рабочей точки транзисторов VT7—VT9. Электромагнитная энергия трансформируется во вторичную обмотку Н2-К2 трансформатора Т13 в результате чего происходит заряд конденсатора С23 до тех пор3 пока напряжение на нем не превысит напряжение пробоя стабилитрона VD2, Цепь формирования крутизны переднего фронта импульса состоит из тиристора VS13 стабилитрона VD2, диода VD33 резисторов R2 и R3, После пробоя стабилитрона VD2 сигнал управления поступает на тиристор VS1, который открывается и пропускает через себя разряд конденсатора С23 на управляющие переходы силовых тиристоров VS01—VS04, Последние одновременно открываются и через них начинает течь силовой ток. Одновременность открывания тиристоров VS01—VS04 обуславливается наличием цепей выравнивания распределения токов по их управляющим переходам через резисторы R01—R04, Конденсаторы служат для защиты управляющих переходов силовых тиристоров от помех, а резистор R2 — для помехозащиты управляющего перехода тиристора VS1. После достижения насыщения сердечником трансформатора Т1 трансформация в обмотке прекращается, транзисторы VT7—VT9 запираются и формирование импульса прекращается. Цепочка RIO, VD6, шунтирующая первичную обмотку Н1-К1 трансформатора Т1? обеспечивает разряд накоплен
ной в трансформаторе энергии и возврат усилителя — формирователя импульсов в исходное состояние.
Драйверы предназначены для формирования сигналов переключения силовых транзисторных приборов IGBT и мощных полевых транзисторов* Драйверы содержат узел согласования входных сигналов, узел формирования сигналов управления, узлы зашиты силового транзисторного модуля от активного режима и от перегрузки по току, а также выходной усилитель сигналов управления. Функциональная схема драйвера и схема его подключения к силовому прибору показана на рис* 2.76. Питание драйвера осуществляется от изолированного источника двуполярного напряжения £/пит = = ±(15—18) В. Выходное напряжение отпирания силового прибора составляет +(10—15) В, напряжение запирания —5 В*
Упрощенная принципиальная схема электрических цепей драйвера показана на рис* 2.77* Узел согласования представляет собой оптотранзисторную пару, обеспечивающую гальваническую развязку с высоким уровнем изоляции системы управления и силовой цепи преобразователя. Принцип действия оптопары заключается в отпирании фототранзистора световым лучем источника* Оптопара обеспечивает высокий уровень изоляции между входной и выходной цепями (электрическая прочность изоляции достигает 2500 В)* Она дает возможность решить проблему передачи данных
Рис. 2,76, Функциональная схема драйвера
Рис. 2,77, Схема электрических цепей драйвера
между системами с разными уровнями напряжения питания. Контакт между системами при передаче информации осуществляется только при помощи светового луча.
Диаграмма преобразования сигналов управления узлами драйвера показана на рис. 2.78*
Входные элементы оптотранзисторной пары — резисторы R1. R2, конденсатор С1 обеспечивают согласование входных сигналов управления с режимом работы светоизлучателя оптопары VD2. Выходные сигналы фототранзистора VT1 оптопары инвертированы относительно входных сигналов управления. Они подаются на инвертирующий вход компаратора DAL На прямой вход компаратора подается напряжение положительного смещения от источника питания драйвера. На выходе компаратора DA1 формируются знакопеременные периодические сигналы прямоугольной формы, положительные импульсы которых повторяют входные сигналы управления.
Рис. 2,78, Диаграмма преобразования сигналов драйвером
Выходной усилительный каскад состоит из двух последовательно включенных транзисторов VT2, VT3 п -р-«-проводимости и транзистора VT4 />-«-д-проводимости, Когда сигналы на выходе компаратора DA1 имеют отрицательный уровень, диод VD3 открывается и создает в базах транзисторов VT2, VT3, VT4 отрицательное смещение. Транзисторы VT2, VT3 запираются, а транзистор VT4 открывается и на выходе драйвера «затвор» формируется напряжение отрицательной полярности относительно выхода «эмиттер». Когда сигналы на выходе компаратора DA1 имеют положительный уровень, диод VD3 закрывается, базы транзисторов VT2, VT3, VT4 получают положительное смещение от источника питания драйвера. Транзисторы VT2, VT3 отпираются, а транзистор VT4 закрывается и на выходе драйвера «затвор» формируется напряжение положительной полярности относительно ВЫХОДЯ «ЭМИТТер».
Узел защиты силового транзистора от активного режима содержит компаратор DA2, на прямой вход которого подано положительное смещение ОТ источника питания драйвера. Инвертирующий вход компаратора будет иметь нулевой потенциал, создаваемый диодом VD9, если силовой транзистор будет находиться в режиме на
сыщения. В том случае, когда силовой транзистор не перешел в режим насыщения (см, рис. 2.78), падение напряжения на его эмиттер-коллекторном переходе запирает диод VD9, инвертирующий вход компаратора DA2 получает положительное смещение. На выходе компаратора DA2 формируется отрицательный сигнал, запирающий транзисторы VT2, VI3 и открывающий транзистор VT4. В результате на выходе драйвера «затвор» формируется напряжение отрицательной полярности относительно выхода «эмиттер», закрывающее силовой транзистор.
Узел защиты силового транзистора от перегрузки по току содержит компаратор DA3, на прямой вход которого подано положительное смещение от источника питания драйвера, задающее порог переключения компаратора. Выходное напряжение датчика тока подается на дифференциальный вход компаратора DA3 встречного направления по отношению к напряжению смещения, задающему порог переключения. При отсутствии перегрузки силового транзистора по току выходное напряжение компаратора DA3 будет положительного уровня. Компаратор переключается на отрицательный уровень выходного напряжения, когда напряжение датчика тока превысит уровень положительного смещения. Выходное напряжение компаратора DA3 отрицательного уровня создает отрицательное смещение базы транзисторов VT2, VT3, VT4 выходного усилительного каскада. В результате транзисторы VT2, VT3 закрываются, транзистор VT4 открывается и на выходе драйвера «затвор» формируется напряжение отрицательной полярности относительно выхода «эмиттер», закрывающее силовой транзистор.
2.8. Модули управления электроаппаратами
Модуль ввода дискретных сигналов предназначен для обеспечения передачи сигналов из электрической схемы управления ЭПС с относительно высоким уровнем питающего напряжения в вычислительную часть микропроцессорной системы управления с напряжением питания 5 В. Непосредственное соединение этих цепей приводит к выходу из строя вычислительной части устройства САУ. Для согласования уровней сигналов необходимо предусмотреть устройства гальванической развязки (разделения цепей), т.е. исключения непосредственного контакта между ВЫСОКОВОЛЬТНЫМИ и низковольтными цепями.
Принципиальная схема одного канала 16-канального модуля ввода дискретных сигналов показана на рис* 2.79. Основным элементом гальванической развязки каждого канала является опто-электронная пара (для первого канала DA1), состоящая из светоизлучающего диода (источника светового сигнала) и светочувствительного приемника 1VT1 (фототранзистора).
На входе каждого канала ввода дискретных сигналов включен Т-образный RC-фильтр, образованный резисторами 1R2, 1R4 и конденсатором 1С1 (для первого канала), который дает возможность исключить кратковременные импульсные сигналы, наводимые в электрических цепях при переключении индуктивных элементов аппаратов ЭПС. Диоды 1VD1 и 1VD2 служат для защиты светоизлучающего диода оптопары DA1 от импульсных напряжений обратной полярности, в случае появления которых открывается диод 1VD2. Падение напряжения на резисторе 1R1 отрицательной полярности отсекается от светоизлучающего диода оптопары DA1 диодом 1VD1*
Работа каждого канала модуля ввода дискретных сигналов сводится к следующему. Если на входе канала отсутствует напряжение, то фототранзистор 1VT1 оптопары находится в закрытом состоянии и на выходе канала устанавливается напряжение высокого уровня. В том случае, когда на вход канала подано напряжение цепей управления ЭПС, выходной транзистор 1VT1 оптопары открывается. Падение напряжения на нем становится близким к нулю (около 0,4 В). На выходе канала устанавливается сигнал низкого уровня. Таким образом, передача информации модулем ввода дискретных сигналов осуществляется с инвертированием их по уровню.
Модуль выходных ключей выполняет обратную задачу по отношению к модулю ввода дискретных сигналов, т.е. модуль выходных ключей передает управляющие сигналы на включение электрических аппаратов в электрической схеме управления ЭПС* При этом включающие катушки электрических аппаратов должны быть объединены по «минусовой» шине источника питания цепей управления. Коммутация с «плюсовой^ шиной происходит через выходные ключи модуля. Принципиальная схема одного канала десятиканального модуля выходных ключей показана на рис. 2*80*
Каждый канал состоит из одного входного формирователя сигнала управления на инверторе (для первого канала) DD1.1, опто-
4D
ЦЕПЬ КОН.
ДВХ1 А10
ДВХ2 А9
двхз А8
ДВХ4 А7
ДВХ5 А6
ДВХ6 А5
ДВХ7 А16
ДВХ8 А15
ДВХ9 АЗ
ДВХ10 А4
двхп А1
ДВХ12 А2
ДВХ13 А18
ДВХ14 А17
ДВХ15 А20
ДВХ16 А19
Общ. В10
—
22 /
23 7
24 /
26 7
29/
31 7
32 7
33 7
35 7
36 7
Al 1VD1 1R2 1R4 г-^=нм=|
1R1
DAI
ici
' 1R3
IR6
1I8
1R5
VT1
19
2
3
5
7
9
10
ч36
U
^71 ^Лз ^17
35
19
КОН ЦЕПЬ
В1 DI1
А1 DI2
А2 DI3
А5 DI4
А8 DI5
А9 DI6
А10 D17
АП DI8
А13 D19
А12 DI10
А16 Dili
А15 DI12
А6 DI13
А7 DI14
АЗ DI15
А4 DI16
В7 +5 В
В10 Общ.
^36
A16
_L£
IV
Рис. 2.79. Принципиальная схема модуля ввода дискретных сигналов
Рис. 2.80. Принципиальная схема модуля выходных ключей
Рис. 2.81. Схема подключения катушки привода электроаппарата к каналу выходных ключей
пары гальванической развязки DA1 и силового транзистора 1VT2. Диоды 1VD2, 1VD3 и стабилитрон 1VD4 служат для защиты силового транзистора 1VT2 и выходного транзистора 1VT1 оптопары DA1 от превышения напряжения и напряжения обратной полярности, которые могут появиться в цепях управления ЭПС при коммутации катушек электрических аппаратов.
Формирование напряжений питания для управления силовыми транзисторами, гальванически развязанными от цепей электрической схемы системы управления ЭПС, производится на вторичных обмотках w2—wll трансформатора Т1 и однополупериодных диодных выпрямителях VD2—VD11. Сглаживание пульсаций выпрямленного напряжения осуществляется конденсаторами С2—СП. На первичную обмотку wl трансформатора Т1 подается переменное напряжение 12 В с частотой 20 кГц от модуля питания системы.
Работа канала сводится к следующему. При сигнале низкого уровня на входе инвертора DD1.1 на его выходе устанавливается напряжение высокого уровня, которое приводит светодиод и фототранзистор 1VT1 оптопары в закрытое состояние. Делителем напряжения, состоящим из резисторов 1R4—1R5, устанавливается на затворе силового транзистора 1VT2 напряжение положительной полярности, приводящее к отпиранию транзистора. На катушку включаемого электроаппарата подается напряжение цепей управления.
Принципиальная схема подключения катушки К1 электроаппарата к каналу выходных ключей показана на рис. 2,81. Напряжение питания (+12 В) выходной цепи оптопары DA1 подается от однополупериод ного выпрямителя выходной обмотки трансформатора Т1 (см, схему рис. 2,78). Питание катушки К1 подается от цепи управления (+50 В).
Выводы
1. Цифровые и аналоговые микросхемные элементы являются универсальными приборами и используются равнозначно в системах автоматического управления с жесткой И гибкой ЛОГИКОЙ.
2. Измерительные преобразователи (датчики), функционирующие на основе эффекта Холла, отличаются высокой точностью преобразования сигналов по уровню и интенсивности изменения,
3. Гальванические развязки С ВЫСОКИМ уровнем ИЗОЛЯЦИИ В цепях измерения и управления обеспечиваются применением оптоэлектронных пар и изолирующих трансформаторов.
Глава 3. СИСТЕМА АВТОМАТИЗИРОВАННОГО УПРАВЛЕНИЯ ВЫПРЯМИТЕЛЬНОИНВЕРТОРНЫМИ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЯМИ ЭЛЕКТРОВОЗОВ ВЛ65, ВЛ85
3.1. Силовая цепь и фу
тональная схема
! । :i 11
системы управления преобразователями
Электровозы переменного тока серий ВЛ80Р, ВЛ65, ВЛ85 оборудованы однотипными выпрямительно-инверторными преобразователями (ВИП) с четырехзонным фазовым регулированием напряжения, подводимого к тяговым электродвигателям* Компоновка цепей тяговых электродвигателей также однотипная, блочная, различается только в зависимости от серии электровоза количеством ТЭД в одном блоке. На рис. 3.1 показана упрощенная схема силовой цепи и функциональная схема управления выпрямительно-инверторными преобразователями пассажирского электровоза ВЛ65. Схема силовых цепей и система управления ВИП для каждой секции магистрального электровоза ВЛ85 аналогичны* Отличие электровоза ВЛ85 лишь в том, что в каждой его секции размещены три преобразовательных блока, а в каждом блоке включено по два тяговых электродвигателя*
Питание тяговых электродвигателей электровоза ВЛ65 осуществляется от тягового трансформатора (ТТ) через выпрямительно-инвертоные преобразователи ВИП1, ВИП2. Трансформатор имеет первичную (сетевую) обмотку, две тяговые обмотки, обмотку для питания цепи независимого возбуждения ТЭД и отопительную обмотку пассажирских вагонов (на рис* 3*1 эта обмотка не показана)* Каждая тяговая обмотка состоит из трех секций с соотношением витков 1:1:2* Номинальное напряжение малых секций по 315 В, большой секции — 630 В, полное напряжение тяговой обмотки — 1260 В.
Силовую схему ВИП можно представить в виде трех параллельно соединенных однофазных мостовых схем со смежными тирис-
Рис. 3.1. Схема силовой цепи и функциональная схема управления ВИП электровоза ВЛ65: Til, Т12, Т18 — измерительные трансформаторы; ДК1—ДК4 — датчики углов коммутации; ЗДТР — задатчик тяги-рекуперации; ЗДВ — задатчик тока возбуждения тяговых электродвигателей; БУВИП — блок управления выпрямительно -инверторными преобразователями; БИ-027 — блок измерений тока ТЭД; ВУВ — выпрямительная установка возбуждения; ДТЯ1 — ДТЯ6; ДТВ — датчики тока якорей и тока возбуждения тяговых электродвигателей; ПТ — переключатель тормозной; ШТ1—ШТ6 — шунтирующие тиристорные блоки
торными плечами. Такая компоновка позволяет плавно регулировать напряжение на тяговых двигателях за счет открытия соответствующих тиристорных плеч преобразователя,
В режиме тяги обмотки возбуждения включаются последовательно с якорями (1—6) тяговых двигателей и запитываются от выпрямительно-инверторных преобразователей. Тяговые электродвигатели каждого блока включены параллельно. Последовательно с каждой группой двигателей включены для снижения пульсации тока сглаживающие реакторы (CPI, СР2). Регулирование напряжения, подводимого к тяговым двигателям, осуществляется изменением фазовых углов отпирания тиристорных плеч ВИП и дискретным бесконтактным переключением токовой нагрузки на смежные секции тяговых обмоток трансформатора. Дополнительно регулирование тяговых электродвигателей осуществляется тремя ступенями ослабления возбуждения, посредством подключения параллельно обмоткам возбуждения шунтирующих резисторов (на схеме рис. 3.1 цепи шунтирования не показаны). Защита силовых цепей от аварийных перегрузок обеспечивается высоковольтным главным выключателем ГВ.
В режиме рекуперативного торможения обмотки возбуждения всех шести ТЭД соединяются последовательно и подключаются к выпрямительной установке возбуждения (ВУВ). Регулирование тока возбуждения осуществляется изменением фазовых углов отпирания тиристорных плеч управляемого выпрямителя. Для снижения инерционности цепи тока возбуждения нулевая схема выпрямления ВУВ выполнена без обратного диода. Направление тока якорей ТЭД в режиме рекуперативного торможения сохраняется таким же как в тяговом режиме. Изменяется на противоположное направление ток возбуждения и, следовательно, ЭДС вращения ТЭД. Переключение силовой цепи из режима тяги в режим рекуперативного торможения производится тормозным переключателем ТП с групповым приводом. В цепь якоря каждого тягового электродвигателя включены стабилизирующие резисторы Rl—R6, предназначенные для обеспечения электрической устойчивости режима рекуперации, а также для ограничения токов короткого замыкания ТЭД при аварийном опрокидывании инвертора* Защита электродвигателей и преобразователя от аварийных перегрузок обеспечивается быстродействующими выключателями, включенными в цепь каждого ТЭД, а также высоковольтным главным выключателем ГВ.
В штатном режиме рекуперативного торможения стабилизирующие резисторы нагружены продолжительное время током 700—800 А, поэтому для них требуется интенсивное воздушное охлаждение.
Очередность открытия тиристорных плеч ВИШ, ВИП2 в тяговом (выпрямительном) и рекуперативном (инверторном) режимах определяется алгоритмом работы блока управления преобразователями электровоза (БУВИП). Он формирует и в соответствии с заданным алгоритмом распределяет по тиристорным группам ВИП управляющие импульсы. Импульсы управления ВУВ также формируются в блоке БУВИП. Включение и выключение тяговых и тормозных режимов производится подачей или снятием управляющих импульсов тиристорных плеч ВИП.
Отличительной особенностью системы управления электровоза ВЛ6 5 является применение поосного регулирования тормозных токов, генерируемых тяговыми электродвигателями в режиме рекуперативного торможения. Выравнивание тормозных токов производится за счет индивидуального шунтирования обмоток возбуждения тяговых электродвигателей тиристорами ШТ1—ШТ6, подключенными параллельно обмоткам возбуждения. Степень ослабления возбуждения определяется величиной небаланса токов якорей тяговых двигателей.
В качестве сигналов обратных связей системы управления используются напряжения, пропорциональные токам тяговых электродвигателей. Они формируются с помощью измерительных преобразователей — датчиков тока якорей ДТЯ1—ДТЯ6 и датчика тока возбуждения ДТВ. Мгновенные значение питающих напряжений ВИП, используемые для синхронизации управления и для слежения уровня напряжений, контролируются с помощью измерительных трансформаторов напряжения Т18, TH, Т12. Информация о продолжительности процессов коммутации тиристорных плеч ВИП поступает в БУВИП с выходов измерительных преобразователей — датчиков углов коммутации ДК1—ДК4,
Перечисленные сигналы обратных связей позволяют формировать в БУВИП необходимые величины фазовых интервалов управляющих импульсов для преобразователей ВИП, установки возбуждения ВУВ и тиристорных блоков, шунтирующих обмотки возбуждения тяговых электродвигателей.
В системе управления электровозами предусмотрено ручное и автоматическое управление тяговыми и тормозными режимами. При ручном управлении задание режимов тяги и рекуперативного торможения производится главным штурвалом контроллера манги -ниста. Величина тока возбуждения задается поворотом тормозной рукоятки. Электровозы ВЛ65 и ВЛ8 5 оснащены блоками автоматического управления БАУ-002, посредством которых осуществляется стабилизация тока тяговых двигателей и скорости движения в тяговых и тормозных режимах.
3.2. Алгоритм управления ВИП в тяговом режиме
Упрощенная принципиальная схема силовой цепи электровозов ВЛ65, ВЛ85, ВЛ80Р для одного ВИП в режиме тяги показана на рис. 3.2, Схема содержит тяговый трансформатор (ТТ) и выпрямительно-инверторный преобразователь, состоящий из восьми тиристорных групп VS1—VS8. Нагрузка ВИП представлена условно одним тяговым электродвигателем последовательного возбуждения с обмотками якоря (Я) и возбуждения (ОВ). В цепь тягового двигателя включен сглаживающий реактор (СР) и быстродействующий выключатель (БВ).
Схемы протекания токов нагрузки лей и токов ik коммутации тиристорных
тяговых электродвигате-плеч ВИП для 4-й зоны схемах выделены тиристорные группы, проводящие ток до начала коммутации — сплошным тоном, отпираемые на момент начала коммутации — наклонным штрихом.
В режиме выпрямления процессы коммутации ТИрИСТОрНЫХ плеч ВИП можно подразделить на три интервала:
— сетевая коммутация с фазовой задерж-
Рис. 3.2. Упрощенная принципиальная схема силовой цепи для одного преобразователя в режиме тяги
кой а0 при создании буферного контура протекания выпрямленного тока id на интервале у0> называемом углом коммутации тиристорных плеч буферного контура (рис. 3.3, а);
— сетевая коммутация с фазовой задержкой аОз при переводе тока цепи ТЭД с буферного контура на нерегулируемую часть тяговой обмотки трансформатора на интервале ур называемом углом коммутации тиристорных плеч нерегулируемого контура (рис. 3.3, б);
— фазовая коммутация с фазовой задержкой при подключении к нерегулируемой части тяговой обмотки трансформатора регу
Рис. 3.3. Схемы протекания токов нагрузки и коммутации в режиме тяги: а — контур буферной коммутации; б — контур сетевой коммутации; в — контур фазовой коммутации
лирующей секции на интервале ур, называемом углом коммутации тиристорных плеч регулируемого контура (рис. 3.3, #).
Форма кривых напряжения тока цепи тяговых двигателей, тока тяговой обмотки трансформатора для режимов выпрямления ВИП при синусоидальном напряжении контактной сети показана на рис. 3.4. Там же показаны фазовые углы отпирания тирис-
Рис. 3,4. Диаграмма напряжения , тока цепи тяговых двигателей тока тяговой обмотки трансформатора i2 в режиме выпрямления
торных плеч ВИП а0 аОз ар> углы коммутации у0 yj у , Формирование фазовых углов а0 аОз> ар управления ВИП производится в блоках БУВИП относительно нулевой фазы (момента перехода через нуль) напряжения тяговых обмоток трансформатора, определяемой устройством синхронизации в виде синхроимпульсов.
Основное влияние на длительность интервалов коммутации оказывает ЭДС самоиндукции обмоток тягового трансформатора, поэтому составляющими падения напряжения на активных сопротивлениях обмоток трансформатора, а также на открытых тиристорных плечах ВИП при аналитическом определении углов коммутации можно пренебречь.
Тогда уравнение, определяющее изменение тока коммутации 4 тиристорной группы, образующей буферный контур, будет иметь вид:
4 2 Tn dt
(3.1)
или> в интегральной форме,
° 1 п (а°+Т())
[ di, =--------J2U7 [ sincDft/crt, (3.2)
• K (bLr 4 2 J
где U2 — напряжение тяговой обмотки (действующее значение);
п — количество четвертей нагруженных секций тяговой обмотки;
ZT/1 — индуктивность рассеяния обмоток трансформатора, приведенная к нагруженной части тяговой обмотки.
Решение приведенного уравнения определяет зависимость углов коммутации от тока нагрузки ВИП в неявной форме:
со5а0-со5(ао + Уо) = ^Тп^к-,
откуда следует
y0=arccos cosaQ
(3.3)
(34)
где ХТл — индуктивное сопротивление обмоток трансформатора для я-й зоны регулирования, приведенное к нагруженным секциям тяговой обмотки.
Зависимость углов коммутации тиристорных групп, образующих нерегулируемый и регулируемый контуры, от тока нагрузки ВИП id определяется аналогичными формулами:
( 4 G I
У1 =aiCCoslcosa03-—Ут(п1)^Х-1-аОз; (3.5)
у =arccos cosa 4 У J1— -а . (3.6)
р L р pV2t2J р
В формулах (3.4)—(3.6), определяющих углы коммутации, обозначены: Хт — индуктивные сопротивления обмоток транс-
форматора для (п—1)-й зоны регулирования и регулирующей секции, приведенные соответственно к натруженной и регулирующей секциям тяговой обмотки.
Графики выходного напряжения ВИП тока тяговой обмотки трансформатора тока тяговых электродвигателей импульсные сигналы управления тиристорными труппами VS3—VS6 для 1-й зоны регулирования показаны на диаграмме рис. 3.5. Управляющие импульсные сигналы обозначены прямоугольниками.
Особенностью алгоритма управления тиристорными группами ВИП на 1-й зоне является одновременная подача управляющих импульсов на тиристорные труппы VS4—VS5 с максимальными углами регулирования 1ПДХ для первоначального отпирания моста и создания непрерывного тока нагрузки Поэтому импульсы управления дважды подаются на тиристорное плечо VS5 на интервале проводящего полупериода с фазовыми углами а0 и с^* После отпирания диагонали моста VS4—VS5 с фазовым углом шах тиристорное плечо VS5 отпирается при создании буферного контура непрерывного протекания тока с фазовым углом а0*
Рис. 3.5. Алгоритм управления ВИП для 1-й зоны регулирования в режиме выпрямления
Вторая особенность алгоритма управления заключается в поочередном формировании по полупериодам изменения напряжения тяговой обмотки буферных контуров протекания выпрямленного тока id тиристорными группами VS3—VS4 и VS5—VS6. Поочередное создание буферных контуров двумя вентильными труппами предусмотрено с целью снижения токовой нагрузки на тиристоры в процессе трогания электровоза с составом, когда фазовые углы регулирования ар близки к максимальным. Величина фазовых углов а0 устанавливается с таким расчетом, чтобы мгновенное значение напряжения секции трансформатора ТТ Aw2 было больше порогового напряжения (7П, необходимого для отпирания плеча, состоящего из двух последовательно соединенных тиристоров. С учетом возможного понижения напряжения контактной сети и искажения его синусоидальной формы угол а0 принят равным 9°±2°.
Для примера величина порогового напряжения на одном тиристоре плеча ВИП, содержащего два последовательно включенных силовых прибора при отпирании с фазовым углом а0 = 9й, составляет
и =—1/2AI7 sman =—i/2-315sin9° = 34,7B. (3-7)
п 2 2 0 2
Угол ар плавно регулируется посредством контроллера манги-ниста от ap тах «160° до ap min =20°.
На 2—4-й зонах регулирования тягового режима система управления выдает импульсы с интервалами а0, аОз и ар> как показано на рис* 3.6. Импульсы с интервалом подаются на тиристоры смежных групп (VS5—VS6 на 2-й зоне регулирования и VS7—VS8 на 3—4-й зонах регулирования), образующие буферный контур протекания непрерывного тока ТЭД и обеспечивающие сетевую коммутацию в контуре с большим напряжением. Для обеспечения отпирания тиристоров в контуре сетевой коммутации с меньшим напряжением управляющие импульсы подаются с задержкой на угол коммутации у0:
а0з = “о + Го» (3.8)
С этой же целью минимальное значение угла регулирования ограничено условием:
min — "I" Y1 * 0*9)
Алгоритм управления тиристорными группами ВИП приведен в табл, ЗЛ.
Во втором столбце табл. ЗЛ стрелками указано направление ЭДС вторичной обмотки тягового трансформатора (см. рис. 3.2), соответствующее данному полупериоду.
Фазовые углы отпирания тиристорных плеч ВИП в табл. ЗЛ имеют следующие обозначения:
О — постоянные углы отпирания тиристоров буферного контура тока ТЭД, «о = 9±2°;
О — постоянные углы отпирания тиристоров нерегулируемых плеч ВИП, «03 = 00 + у0;
mm*
Рис. 3.6. Алгоритм управления ВИП для 4-й зоны регулирования в режиме выпрямления
Таблица 3.1
Алгоритм управления ВИП для режима тяги
Зона регулирования Полупериод Углы отпирания тиристоров
VS1 VS2 VS3 VS4 VS5 VS6 VS7 VS8
1 о о©
^^^ + + + + + + 4 Книг* о ©
2 с о о
с о о
3 о о о
с о о
4 о о о
с о о
Тиристорные плечи ВИП переключаются посредством импульсных сигналов, формируемых блоками выходных усилителей БУВИП и усиливаемых формирователями импульсов, установленными непосредственно в корпусе силового преобразователя. Устройство и принцип действия усилителей и формирователей импульсов рассмотрены в гл. 2. Амплитуда напряжения управляющих импульсов составляет 20 В при токе нагрузки 2,5 А и длительности импульсов 800 мкс. Приведенные параметры импульсов управления обеспечивают гарантированное отпирание тиристорных приборов плеча ВИП, соединенных последовательно-параллельно при их неодновременном включении в условиях параллельно работающих ВИП секций электровоза.
Аварийный пропуск отпирания одного из тиристорных плеч ВИП из-за неисправности цепи формирования импульсов управления или других причин приводит к возрастанию пульсаций напряжения и тока тяговых электродвигателей, снижению скорости движения, ухудшению энергетических характеристик электровоза вследствие сбоя процессов коммутации тиристорных групп ВИП.
3.3. Алгоритм управления ВИП в режиме рекуперативного торможения
Упрощенная принципиальная схема силовой цепи электровозов BJI65, ВЛ85, ВЛ80Р для одного выпрямительно-инверторного преобразователя ВИП в режиме рекуперации показана на рис. 3,7*
Аналогично с тяговым режимом схема содержит следующие эле
менты:
— тяговый трансформатор (ТТ)3 который имеет вторичную тяговую обмотку с тремя последовательно соединенными секциями; кроме тяговой обмотки трансформатор имеет обмотку для питания цепей возбуждения тяговых электродвигателей;
— выпрямительно-инверторный преобразователь, состоящий из параллельно соединенных тиристорных мостов с плечами VS1—VS8 и выпрямителя возбуждения с тиристорами VS9 и VS10;
— быстродействующий выключатель;
— тяговый электродвигатель с обмотками якоря и возбуждения;
— сглаживающий реактор.
В режиме рекуперации ВИП работает как инвертор, ведомый сетью* При этом отпирание инвертирующих тиристорных плеч ВИП происходит под действием ЭДС вторичной обмотки тягового трансформатора, а для передачи энергии в контактную сеть необходимо, чтобы ток вторичной обмотки ТТ протекал навстречу ее ЭДС* Поэтому импульсы управления на соответствующие тиристор
Рис. 3.7. Упрощенная принципиальная схема силовой цепи для одного преобразователя в режиме инвертирования
ные группы подаются с фазовым опережением на угол р относительно перехода напряжения вторичной обмотки трансформатора через нуль, а режим инвертирования осуществляется в следующий полупериод.
Форма кривых напряжения тока id цепи тяговых двигателей, тока i2 тяговой обмотки трансформатора
для режима инвертирования ВИП при синусоидальном напряжении контактной сети показана на рис. 3.8. Там же показаны фазовые углы регулирования тиристорных плеч ВИП ар> углы опережения отпирания инвертирующих тиристорных плеч 0? углы коммутации уи> ур, угол запаса инвертора 6*
В режиме инвертирования при электрическом рекуперативном торможении процессы коммутации тиристорных плеч ВИП протекают на двух интервалах:
— фазовая коммутация при отключении регулирующей секции тяговой обмотки трансформатора от цепи нагрузки ТЭД с фазовым углом ар на интервале ур (рис. 3.9, а);
— сетевая коммутация тиристорных плеч, инвертирующих ток id тяговых двигателей с фазовой задержкой (л—0) на интервале уи>
Рис. 3.8. Напряжение ud, ток цепи тяговых двигателей ток тяговой обмотки трансформатора в режиме инвертирования
Рис. 3.9. Схемы протекания тока нагрузки /^и токов коммутации режиме инвертирования: а — контур фазовой коммутации; б — контур сетевой коммутации
называемом углом коммутации инвертирующих тиристорных плеч ВИП (рис* 3.9, б).
Из схемы рис* 3.9? б видно, что токи сетевой коммутации тиристорных плеч протекают по двум контурам* Интервалы коммутации
определяются следующими выражениями:
п
X]H = arccos cos(rc-p)-—X,
Y2ii = arccos С08(л- р)
(я-р);
(3.10)
(3.11)
Известно, что индуктивность рассеяния обмоток трансформатора пропорциональна квадрату числа их витков, в то время как напряжение обмоток пропорционально числу витков в первой степени* Поэтому интервалы коммутации у1и при протекании тока по большому контуру, определяемому выражением (3*10), имеют длительность больше интервалов коммутации У2И при протекании тока i2k по малому контуру, определяемому выражением (3*11)* Следовательно, общая длительность интервалов коммутации тиристорных
Рис. 3.10. Алгоритм управления ВИП для 4-й зоны регулирования в режиме инвертирования
плеч, инвертирующих ток определяется ИНДУКТИВНОСТЬЮ всей нагруженной части тяговой обмотки зоны регулирования п (см. (3.10)).
Интервалы фазовой коммутации ур при отключении от нагрузки регулирующей секции тяговой обмотки в режиме инвертирования определяются выражением (3.6), аналогично режиму выпрямления.
Графики выходного напряжения ВИП в режиме инвертирования тока тяговой обмотки трансформатора /2 тока тяговых электродвигателей импульсные сигналы управления тиристорными группами VS1—VS4, VS7, VS8 для 4-й зоны регулирования показаны на диаграмме рис. ЗДО.
В каждом полупериоде отпираются две тиристорные Группы VS1—VS8 или VS2—VS7 по диагонали моста ВИП с фазовым углом р опережения относительно начала следующего полупериода изменения напряжения тяговой обмотки, создающие большой контур протекания инвертируемого тока:
р = уи+5, (3.12)
где уи — угол коммутации тиристоров;
$ — угол запаса инвертора, определяемый временем восстановления вентильной прочности скоммутированных тиристоров (6 = 15—20°),
Тиристорные группы фазового регулирования VS3, VS4 отпираются с фазовым углом <Хр относительно начала текущего полупери-ода изменения напряжения тяговой обмотки создавая малый контур протекания инвертируемого тока.
На 1-й зоне регулирования инвертирующие тиристорные группы VS1—VS4 или VS2—VS3 отпираются с фазовым углом ар> величина которого уменьшается по мере снижения скорости движения, длительность интервала противотока при этом увеличивается. Диаграмма выходного напряжения ВИП, токов нагрузки и импульсных сигналов управления тиристорными группами VS1—VS4 для 1-й зоны регулирования показана на рис, 3.11* Импульсы управ-
Рис. 3.11. Алгоритм управления ВИП для 1-й зоны регулирования в режиме инвертирования
ления, формируемые системой управления с фазовыми углами опережения р, подаются после запирания инвертирующих тиристорных плеч и на процессы управления ВИП на 1-й зоне регулирования не оказывают влияния.
Алгоритм управления тиристорными плечами ВИП при рекуперации приведен в табл. 3.2.
Таблица 3.2
Алгоритм управления ВИП в режиме рекуперации
Зона регулирования Полупериод Углы отпирания тиристоров
VS1 VS2 VS3 VS4 VS5 VS6 VS7 VS8
4 ► ® с ®
® с ®
3 ►- ® о ®
® о ®
2 ► ® с ®
® е ®
1 ► о® о®
с® с®
В таблице приняты следующие обозначения:
® — импульс управления, нерегулируемый по фазе. Подается с задержкой тс — р относительно начала полупериода;
О — импульс управления, регулируемый по фазе. Подается с задержкой ар относительно начала полупериода.
Аварийный пропуск отпирания одного из инвертирующих тиристорных плеч ВИП из-за неисправности цепи формирования импульсов управления или других причин приводит к опрокидыванию инвертора и короткому замыканию тяговых электродвигателей через открытые тиристорные плечи ВИП и тяговую обмотку трансформатора. Защита силовых цепей в этом режиме производится быстродействующими выключателями и высоковольтным главным выключателем ГВ,
3.4. Система управления ВИП
Управление выпрямительно-инверторными преобразователями ВИП электровозов В Л 65 и В Л 85 осуществляется типовыми иден
тичными блоками, соответственно БУВИП-30 и БУВИП-133. На электровозах ВЛ80Р применены блоки управления БУВИП-113, имеющие некоторые отличия в элементной базе. Блоки управления БУВИП-30 оснащены дополнительно блоками, обеспечивающими поосное регулирование тормозною тока ТЭД в режиме рекуперативною торможения.
Блоки управления ВИП выполняют следующие основные функции:
— плавное четырехзонное регулирование фазовых углов ар импульсов управления тиристорными плечами ВИП в режимах тяги и рекуперативною торможения;
— распределение импульсов управления по плечам преобразователя в соответствии с алгоритмом его работы;
— автоматическое регулирование угла управления ccq в зависимости от мгновенного напряжения на тиристорах;
— ограничение фазы импульсов управления ар по углу аОз в режиме тяги;
— обеспечение автоматической задержки импульсов управления на фазовый угол Од3 тиристорными группами, работающими с меньшим напряжением, на интервале сетевой коммутации в контуре с большим напряжением в режиме тяги;
— плавное регулирование фазовых углов ав отпирания тиристорных плеч выпрямительной установки возбуждения ВУВ для регулирования тока возбуждения ТЭД в режиме рекуперативною торможения;
— автоматическое регулирование фазовых углов «р и импульсов управления тиристорными плечами ВИП и ВУВ в режиме рекуперативною торможения пропорционально скорости изменения тока якорей ТЭД для обеспечения плавною изменения тормозной силы;
— автоматическое поддержание постоянного угла запаса инвертора 8 в режиме рекуперативною торможения;
— запрет подачи импульсов управления с фазными углами схр на интервале от р до я в режиме рекуперативного торможения.
В блоки управления БУВИП-30 и БУВИП-133 входят следующие кассетные блоки:
— блоки питания БП-542 и БП-090 — для согласования уровней сигналов измерительных преобразователей высоковольтных цепей с низковольтными входами аппаратуры;
— блоки питания БП-158 и БП-153 — содержащие стабилизированные прецизионные источники питания с уровнями напряжения +12 В, -12 В, +5 В;
— блок синхронизации импульсов БСИ-541 — формирующий синхроимпульсы по нулевой фазе напряжения тяговой обмотки трансформатора, обеспечивающие синхронизацию работы основных блоков БУВИП;
— блок фазового управления БФУ-535 — преобразующий напряжение управления в последовательность импульсов, фаза которых регулируется напряжением управления;
— блок регулирования угла запаса инвертора БРУЗ-089 — автоматически регулирующий угол <Xq отпирания в зависимости от мгновенного значения напряжения на тиристорных плечах ВИП3 образующих буферный контур тока ТЭД в режиме тяги, а также автоматически регулирующий угол Р опережения отпирания инвертирующих плеч ВИП при постоянстве угла запаса инвертора 3 в режиме рекуперативного торможения;
— блок перевода нагрузки БПН-061 — ограничивающий конец зоны регулирования при минимальных углах регулирования и формирующий команды на переключение управления с одной зоны регулирования на другую в режимах тяги и рекуперативного торможения. Обеспечивает также формирование импульсов с фазой подаваемых на тиристорные плечи, работающие в контуре с меньшим напряжением, с задержкой на интервал коммутации yj в контуре с большим напряжением, и ограничение фазы импульсов управления ар по углу аОз в режиме тяги;
— блок распределительного устройства БРУ-552 — распределяющий импульсы управления по тиристорным плечам выпрямительно-инверторного преобразователя согласно алгоритму его работы;
— блоки выходных усилителей БВУ-549 — формирующие выходные импульсы необходимой амплитуды и мощности для дистанционной передачи сигналов с обеспечением защиты от помех на формирователи импульсов управления тиристорными плечами ВИП;
— блок противокомпаундирования БПК-540 — обеспечивающий необходимую плавность нарастания тормозного тока ТЭД при входе в режим рекуперативного торможения и электрическую устойчивость при рекуперации, путем воздействия на фазовые углы управления ВИП и ВУВ сигналами, пропорциональными скорости изменения тока ТЭД;
— блок распределения нагрузок БРН-239 — для сравнения тока каждого электродвигателя с током наиболее нагруженного ТЭД в режиме рекуперативного торможения и формирования сигналов рассогласования, поступающих на входы соответствующих фазорегуляторов блоков управления полем БУП-237, БУП-238;
— блоки управления полем БУП-237, БУП-238 — формирующие пилообразное напряжение и фазовые интервалы задержек импульсных сигналов управления шунтирующими тиристорами обмоток возбуждения ТЭД в режиме рекуперативного торможения;
— блоки выходных усилителей БВУ-234 — для формирования выходных импульсов необходимой амплитуды и мощности для отпирания тиристоров, шунтирующих обмотки возбуждения ТЭД в режиме рекуперативного торможения.
Кассетными блоками БРН-239, БУП-237, БУП-238, БВУ-234 оснащены только блоки БУВИП-030 электровозов ВЛ65,
Функциональная схема системы управления ВИП показана на рис, ЗД2. Система содержит следующие основные элементы:
— задатчики тяги-рекуперации (ЗДТР) и возбуждения (ЗДВ), расположенные в контроллере машиниста электровоза (КМ); ЗДТР и ЗДВ — это сельсины, выходные сигналы которых — синусоидальные напряжения управления ~^увпп и ~ иув частотой 50 Гц. Амплитуды этих сигналов пропорциональны углам поворота штурвала КМ и изменяются в пределах 0—36 В для ЗДТР и 0—6 В для ЗДВ;
— датчики тока якорей тяговых электродвигателей ДТЯ1—ДТЯ6, выполнение на основе трансформаторов постоянного тока (см. рис. 2.61, 6). Выходные сигналы датчиков ТЭД подаются в блок измерений БИ-027, содержащий выпрямительные мосты и резисторы токовой нагрузки выходных сигналов датчиков. Блок измерений производит выделение выходного сигнала датчика наиболее нагруженного ТЭД, который поступает в блок БП-542 и блок БРН-239, В блок БРН-239 подаются также сигналы датчиков тока якорей всех шести тяговых электродвигателей;
— датчики углов коммутации ДК1—ДК4 на основе трансформаторов тока (см. рис. 2.70), включенные в выводы большой секции тяговой обмотки трансформатора. Трансформаторы тока работают в режиме холостого хода* Во время коммутации силовых тиристоров ток в первичной обмотке датчика изменяется с большей скоростью и на выходе датчика создается импульс напряжения и^ с амп-
Рис. 3.12. Функциональная схема блока управления БУВИП-030: БВУ — блоки выходных усилителей; ШТ — шунтирующие тиристорные блоки; БРН — блок распределения нагрузок; БУП — блоки управления полем; ДК — датчики углов коммутации; ДТЯ — датчики тока якорей; БИ — блок измерений; БАУ — блок автоматизированного управления тяговыми и тормозными режимами; БП — блоки питания; БПК — блок противокомпаундирования; БРУ — блок распределительного устройства; БФУ — блок фазового управления; КМ — контроллер машиниста; ЗДТР — задатчик тяги-рекуперации; ЗДВ — задатчик тока возбуждения; БПН — блок перевода нагрузки; БРУЗ — блок регулирования углов запаса инвертирования; БСИ — блок синхроимпульсов; Т11э Т12, Т18, Т38 — измерительные трансформаторы; АТ — автотрансформатор
литудой 30—50 В и длительностью, равной углу коммутации у. На 1-й и 2-й зонах регулирования углы коммутации измеряются датчиками ДК1, ДКЗ, а на 2-й и 4-й зонах — датчиками ДК2, ДК4;
— блок управления выпрямительно-инверторным преобразователем, в состав которого входят все функциональные блоки, показанные на рис* 3*12, за исключением КМ, датчиков ДТЯ1—ДТЯ6, ДТВ, ДК1—ДК4 и согласующих трансформаторов Til, Т12, Т18, Т38.
Сплошными линиями на рис* 3*12 показаны элементы БУВИП и связи между ними, функционирующие в режиме тяги, а штриховыми линиями — элементы и связи, работающие только в режиме рекуперации.
Входные и выходные сигналы функциональных блоков на рис. 3.12 имеют следующие обозначения*
Амплитудные сигналы:
и — переменное напряжение произвольной формы;
~U — синусоидальное напряжение;
U — постоянное напряжение;
^плл — пилообразное напряжение*
Фазовые регулируемые сигналы:
ар — постоянное напряжение величиной 2, 4—5 В (логическая единица) в интервале ар < ю/ < я и 0—0,4 В (логический нуль) в интервале 0 < art < ар в режиме тяги; аналогичные значения имеют фазовые сигналы а0> аОз> асл, (oq3 + у^;
ар — постоянное напряжение величиной 2,4—5 В (логическая единица) в интервале ар < art < (л — р) и 0—0,4 В (логический нуль) в интервале 0 < со/ < ар в режиме рекуперативного торможения;
р — постоянное напряжение величиной 2,4—5 В (логическая единица) в интервале (л — р) < со/ < (л — Р) и 0—0, 4 В (логический нуль) в интервале 0 < со/ < (л — Р) в режиме рекуперативного торможения.
Фазовые нерегулируемые сигналы:
— ФТ, ФТ — напряжение логической единицы (2,4—5 В) соответственно на интервалах нечетного и четного полупериодов в режиме тяги* На интервалах противоположных полупериодов эти сигналы равны логическому нулю (0—0,4 В)* Нечетными считаются полупериоды, в которых ЭДС обмотки трансформатора направлена от анода тиристора VS1 к катоду тиристора VS8; полу
периоды с обратным направлением ЭДС трансформатора считаются четными;
— ФР, ФР — напряжение логической единицы соответственно в четном и нечетном полупериодах режима рекуперативного торможения. На интервалах противоположных полупериодов эти сигналы равны логическому нулю.
Логические сигналы:
1-Т, 1-Р — напряжение логической единицы соответственно в режиме тяти и режиме рекуперативного торможения;
a, b> с, d — постоянные сигналы, принимающие значение логической единицы или нуля в соответствии с алгоритмом управления ВИП;
а, 6, с — инверсия сигналов а, Ь, с.
Импульсные сигналы:
_гы/си — синхроимпульсы частотой 100 Гц, амплитудой 5 В* д лительностью 200 мкс. Фронт импульсов совпадает с моментом перехода напряжения тяговой обмотки через нуль;
л-ад* -П-ар — импульсы с амплитудой 5 В, длительностью 70 мкс, с фазовым интервалом относительно фронта синхроимпульса соответственно равным углам а0> аОз>
лг — инверсные тактовые импульсы;
ла]—-П-сх8 — импульсы управления тиристорами VS1—VS8 с амплитудой 20 В, длительностью 70 мкс и фазой переднего фронта в соответствии с табл. ЗД и 3.2.
В процессе управления ТЯГОВЫМИ и тормозными режимами происходит следующее взаимодействие блоков системы управления ВИП. Напряжение управления, пропорциональное углу поворота штурвала КМ, фильтруется в блоке питания БП-542 и подается на вход блока управления фазой БФУ-535* Здесь оно преобразуется одним из четырех фазорегуляторов в фазовые сигналы управления зоной и фазой регулирования ар ВИП. Синхронизация работы блока БФУ-535 с напряжением тяговой обмотки осуществляется синхроимпульсами. Они формируются в блоке БСИ-541 из переменного напряжения, поступающего от трансформатора синхронизации Т18 через блок БП-090, где производится фильтрация и ограничение амплитуды напряжения синхронизации.
Необходимые для исполнения алгоритма управления преобразователем фазовые сигналы с интервалами а0 или р формируются в
блоке БРУЗ-089. Фазовые сигналы из блоков БФУ-535 и БРУЗ-089 подаются в блок БПН-061, где на фазовые сигналы блока БФУ-535 накладываются ограничения по диапазонам регулирования фазовых интервалов. Здесь же формируются импульсные сигналы с фазовыми интервалами а0> аОз> а также логические сигналы а? i, с, d и их инверсии, определяющие зону (ступень) регулирования. Импульсы управления и логические сигналы поступают в блок БРУ-552, где они распределяются по выходным каналам управления тиристорными плечами в соответствии с установленной зоной регулирования и полуволной напряжения ТЯГОВОЙ обмотки согласно алгоритму управления ВИП. Далее импульсные сигналы усиливаются по амплитуде, мощности и длительности в блоках БВУ-549 и передаются дистанционно в усилители — формирователи импульсов управления тиристорами ВИП.
3*5* Основные элементы блоков управления БУВИП-030, БУВИП-133
Блок питания БП-090 служит для согласования уровней сигналов измерительных преобразователей высоковольтных цепей с низковольтными входами аппаратуры, содержит два канала связи блока управления ВИП с тяговыми обмотками трансформатора ТТ: канал синхронизации и канал слежения за уровнем напряжения тяговых обмоток. Кроме того, в блоке БП-090 размещен трансформатор питания БУВИП.
Канал синхронизации подключается через согласующий трансформатор Т18 (входной сигнал ~(7С) Д™ обеспечения синхронизации работы всех блоков относительно момента перехода напряжения ТЯГОВОЙ обмотки через нуль. Выходной сигнал напряжения синхронизации срезанный по амплитуде до уровня 5 В, подается в блок БСИ-541. Кроме напряжения синхронизации в блок БП-090 через согласующий трансформатор Т38 подается напряжение от обмотки собственных нужд тягового трансформатора ~{7ф* Это напряжение подается в фильтр блока для сглаживания искажений формы кривой напряжения, обусловленных процессами коммутации тиристорных трупп ВИП. Выходное сглаженное напряжение фильтра ~ (7ф также срезается по амплитуде до уровня 5 В и подается в блок БСИ-541.
Канал слежения за напряжением представляет собой схему выделения сигнала минимального уровня из напряжения параллельно работающих ВИП, измеряемых согласующими трансформаторами TH, Т12 на электровозах ВЛ65 и Т17, Т263 Т27 на электровозах ВЛ85, Схема выделения минимального уровня сигнала напряжения блока БП-090 БУВИП-133 показана на рис. ЗДЗ. Выходной сигнал этого канала исл подается в блок БРУЗ-090 и предназначен для автоматического регулирования величины фазовых углов а0 и аОз.
Блок питания БП-090 содержит также трансформатор питания стабилизированных источников, размещенных в блоках БП-542, БП-153, БП-158.
Блок питания БП-542 содержит:
— стабилизированные источники постоянного напряжения +18 В, +24 В, 4-55 В для питания функциональных блоков БУВИП;
— выпрямители и сглаживающие фильтры, преобразующие синусоидальные сигналы задатчиков тяги—рекуперации ^РуБ1Ш, возбуждения пульсирующий сигнал датчика тока /7Д Т в постоянные напряжения J7y вип, С^в, 17д т, Сигналы управления Uy вип, С^в подаются в блок БФУ-535, сигналы датчиков тока разделенные на два канала, подаются в блок БПК-540 и используются в режиме рекуперативного торможения, а также при автоматическом управлении тяговыми и тормозными режимами посредством блока автоматического управлениия БАУ-002;
— выпрямители, преобразующие знакопеременные импульсные сигналы датчиков углов коммутации ДК1—ДК4 в однополярные с выделением сигналов Uy наибольшей длительности.
+55 В
Рис. 3,13. Схема выделения минимального уровня напряжения слежения
Блок синхронизации импульсов БСИ-541 формирует синхроимпульсы прямоугольной формы передний фронт которых соответствует прохождению напряжения тяговой обмотки трансформатора ТТ через нуль (рис. 3,14). Блок синхронизации импульсов является важнейшим узлом, обеспечивающим управления ВИП по заданным алгоритмам с высокими энергетическими характеристиками. Сбои в работе канала синхронизации приводят к нарушению процессов коммутации тиристорных плеч ВИП и существенному ухудшению энергетических характеристик электровоза.
Блок синхронизации импульсов состоит из канала фазовой автоподстройки и канала фазового распределения.
Необходимость фазовой автоподстройки вызвана тем, что форма кривой напряжения тяговой обмотки ТТ значительно отличается от синусоидальной. Процессы коммутации тиристорных групп ВИП приводят к тому, что кривая напряжения тяговой обмотки ТТ за один полупериод неоднократно снижается до нудя (имеет просечки) вследствие возникновения короткозамкнутых контуров на интервале коммутации (см. рис. 3*6). Для формирования синхроимпульсов используется напряжение синхронизации ис1, срезанное по амплитуде в БП-090 до уровня ±5 В. Так как сигнал г/с1 может иметь провалы напряжения, обусловленные процессами коммутации, то для формирования синхроимпульсов -П-^си в БСИ-541 использован дополнительный сигнал ~г/ф синусоидальной формы,
Рис. 3,14, Диаграмма формирования импульсов синхронизации
подученный через сглаживающий фильтр блока БП-090* Начальная фаза сигнала «ф запаздывает но отношению к сигналу ис1 на фазовый угол ф? поэтому при формировании синхроимпульсов применен автоматический регулятор фазовой автоподстройки, обеспечивающий формирование импульсов синхронизации в момент естественного перехода через нуль напряжения тяговой обмотки трансформатора* Амплитуда импульсов синхронизации -П-мси составляет 5 В, длительность импульсов — 200 мкс* Импульсы синхронизации -П-Иси подаются в блоки БФУ-535, БРУЗ-089, БПН-061*
Канал фазового распределения формирует прямоугольные логические сигналы ФТ, ФТ уровнем 5 В и длительностью 0,01 с на интервалах соответственно нечетного и четного полупериодов в режи-ме тяги (рис* 3.15) и прямоугольные логические сигналы ФР, ФР уровнем 5 В и длительностью 0,01 с на интервалах, соответственно четного и нечетного полупериодов в режиме рекуперативного торможения* Эти сигналы обеспечивают распределение импульсов по каналам управления силовыми тиристорами в блоке БРУ-552 в соответствующие полупериоды.
Блок фазового управления БФУ-535, Предназначен для преобразования постоянного напряжения управления в последовательность фазовых сигналов а„ частотой 100 Гц* Передний фронт этих сигна-
Рис. 3,15, Диаграмма формирования сигналов фазового распределения
лов сдвинут по времени относительно начала полупериода питающего напряжения на фазовый угол ар* БФУ-535 состоит из генератора пилообразного напряжения и пи™ однотипных фазорегуляторов, четыре из которых предназначены для регулирования фазовых сигналов четырех зон регулирования арР ар2, ар3, а^. Пятый фазорегулятор используется при рекуперации для регулирования фазовых углов ав управления ВУВ.
Генератор пилообразного напряжения содержит конденсатор, заряжаемый постоянным напряжением 15 В? которое периодически сбрасывается транзисторным ключом, закорачивающим конденсатор на интервале длительности синхроимпульсов -П-«си блока БСИ-541 (см. рис. 2.51, я)- Операционный усилитель усиливает амплитуду сигнала до уровня 10 В. Сигнал пилообразной формы подается в фазорегуляторы блока БФУ-535, а также в регуляторы блока БРУЗ-089.
Особенностью фазорегуляторов блока БФУ-535 является обеспечение обратной зависимости изменения фазовых углов выходных сигналов от напряжения управления (рис. 3.16). Это свойство фа-
Рис. 3,16, Диаграмма формирования сигналов фазорегулятором
зоретуляторов определяется тем, что регулирование фазовых углов управления ВИП необходимо производить от максимальных величин в сторону уменьшения, в то время как напряжение управления ВИП возрастает пропорционально углу поворота штурвала или тормозной рукоятки контроллера КМ.
Каждый фазорегулятор состоит из интегратора DA1, обеспечивающего инвертирование и плавное изменение напряжения управления Кувип; нуль-компаратора DA2, сравнивающего сигналы (7^^ транзисторного ключа VT1 и логического инвертора DD1, формирующих фазовый сигнал Ор (см. рис* 2*57, б). Максимальное значение угла ар = 160° при Цг В1Ш = 0 задается напряжением смещения от резисторного делителя. Порядок работы фазорегуляторов БФУ-535 показан в табл. 3.3* По мере повышения напряжения Uy вип в работу последовательно включаются фазорегуляторы 2—4-й зон регулирования в соответствии с табл. 3.3.
Таблица 3.3
Алгоритм работы фазорегуляторов БФУ-535
Ц,ВИл= в ^у.в= В Номер фазорегулятора Пределы изменения угла регулирования
0-9 — № 1, 1-я зона ВИП max — min
9-18 — № 2, 2-я зона ВИП Op max — min
18-27 — № 3, 3-я зона ВИП *^р max ~ ~ min
27-36 — № 4, 4-я зона ВИП max ~ ~ min
— 0-6 № 5, управление ВУВ &в max ~ ~ min
Блок регулирования угла запаса БРУЗ-089, В режиме тяги в этом блоке работает только канал слежения за мгновенным значением напряжения тяговых обмоток посредством которого формируется минимальный угол отпирания тиристоров а0 буферного контура тока ТЭД. Величина этого угла существенно влияет на энергетические характеристики электровоза; завышение угла а0 выше нормативного приводит к увеличению фазового сдвига несинусоидальной кривой тока тяговой обмотки трансформатора относительно напряжения и к снижению коэффициента мощности электровоза.
Компаратор выдает сигнал формирования фазового интервала в момент времени асл, когда напряжение UCA превысит заданный порог при котором обеспечивается гарантированное отпирание
последовательно включенных тиристоров плеча ВИП* При несинусоидальном напряжении контактной сети компаратор срабатывает с интервалом фазовой задержки а0 = 7°—11°. На время коммутации тиристоров в контуре с большим напряжением (у0) компаратор возвращается в исходное состояние и затем вновь срабатывает в момент времени а0 + у0*
Для формирования длительности выходных сигналов компаратора асл при искажениях формы напряжения контактной сети используется фазоимпульсный регулятор с интегральным законом регулирования, который формирует минимальный угол асл> передаваемый в блок БПН-061. Функциональная схема регулятора приведена на рис. 3.17. Диаграмма формирования регулятором фазовых сигналов схсл показана на рис. 3.18*
Напряжение пропорциональное минимальному из трех мгновенных значений напряжения на тяговых обмотках трансформатора, поступает на вход компаратора А1, с помощью которого устанавливается пороговое напряжение (7П* С помощью триггера D4.1 и инвертора D2*4 формируется импульсный сигнал длительностью _п_а0* Компаратор АЗ сравнивает этот сигнал с выходным импульсным сигналом регулятора длительностью _п_аОсл и подает импульсный сигнал рассогласования -п_(сх0 - аОсл) на вход интегратора А5. Выходной сигнал интегратора подается на вход компаратора А63 на второй вход компаратора А6 подается пилообразное напряжение Рппд из блока БФУ-535* При равенстве уровней сигналов компаратор А6 переключается и формирует на выходе сигнал, положительный уровень которого соответствует фазовому сигналу асл.
Рис 3,17, Функциональная схема регулятора фазового угла слежения асл
Рис 3,18, Диаграмма формирования сигналов регулятором угла слежения асл
Транзистор VT7 производит инвертирование и согласование выходного сигнала компаратора с уровнем входных сигналов логических элементов. Выходной импульсный сигнал транзисторного формирователя, длительностью -п-асл подается на вход компаратора АЗ, замыкая отрицательную обратную связь. Логический элемент D8.2 путем инвертирования импульсного сигнал _п_асл формирует фазовый сигнал сссл, который подается в блок БПН-061.
Блок БРУЗ-089 содержит также автоматический регулятор угла опережения р отпирания инвертирующих плеч ВИП. Регулятор угла опережения р включает в себя канал обработки сигналов датчиков углов коммутации задатчик ЗД 8 опорного угла запаса 83> а также формирователь инверсных тактовых импульсов ЛГ , служащих для управления работой БПН-061 при переключении зон регулирования ВИП, Регулятор угла р и формирователь тактовых импульсов лг й действуют в режиме рекуперативного торможения, ти
Регулятор с пропорционально -интегральным законом обеспечивает регулирование угла опережения р, так чтобы обеспечить постоянство угла запаса инвертора:
8 = р-уи =const, (3.13)
Функциональная схема регулятора приведена на рис. 3.19. Диаграмма формирования регулятором импульсных сигналов 0 показана на рис. 3.20.
D8.1
+5 В
Л8:а
_ R62
₽R60 J---1
4ZZHVT13
D6.2
0'
Догр &> >
D7 3 D7 2 D7.1 _ _П J”l LTW™
&о
&<►
7 D5.4 О ----
от БФУ
D6.1 _Г”1 R64
D7.4
&<♦
СЮт
Рис. 3,19. Функциональная схема регулятора угла опережения р
Д7 А8 A9tf
&<JlL8
5
X
Рис 3.20. Диаграмма формирования сигналов регулятором угла опережения р
Импульсный сигнал -П-53 от задатчика опорного сигнала угла запаса (ЗД5) поступает через инверторы D5.1 и D5*2 (на схеме не показаны) на вход компаратора А7, На второй вход компаратора подается импульсный сигнал фактического угла запаса -п_3, формируемый на выходе регулятора. Импульсный сигнал рассогласования -П-(83 —5) преобразуется регулятором с пропорционально-интегральным законом регулирования А8 в аналоговый сигнал, который сравнивается компаратором А9 с сигналом пилообразной формы £/пил> подаваемым из блока БФУ-535, Компаратор переключается при равенстве уровней сигналов и формирует на выходе положительный инверсный фазовый сигнал р* длительностью (л — рг). Транзистор VT13 производит инвертирование и согласование выходного сигнала компаратора с уровнем входного сигнала логических элементов. Выходной сигнал PF транзисторного формирователя VT13 инвертируется микромодулем D8,l и подается в блок БП-061 в виде сигнала для ограничения фазовых углов регулирования ар шах, Кроме того, выходной сигнал транзисторного формирователя VII3 передается через линию задержки D6*l, R64—СЮ на вход инвертора D7.4, который формирует фазовый сигнал р с задержкой на 200 мкс. Этот сигнал подается в блок БРУ-552 для управления ВИП, а также на вход логического пере множителя D6.2, который формирует инверсный сигнал, длительностью, равной фактическому углу запаса инвертирования:
Нч, (3.14)
Инвертированный микромодулем D5.4 импульсный сигнал -П-8 длительностью 3 подается на вход компаратора А7 регулятора*
Формирование сигнала инверсного тактового импульса лг JJ ти производится путем вычитания импульсного сигнала длительностью р из выходного импульсного сигнала транзисторного формирователя VT13 длительностью Р' посредством логического перемножи-теля D7.3* Сигнал лгС^ предназначен для синхронного перевода нагрузки при переключении зоны регулирования.
Система автоматического регулирования угла запаса инвертора 3 функционирует так, что с увеличением тока нагрузки преобразователя и соответственно углов коммутации возрастает угол р опережения включения инвертирующих плеч ВИП, При этом оставшийся после окончания коммутации интервал до конца полупе
риода и представляющий собой фактический угол запаса инвертора 83 будет равен заданному. Для обеспечения устойчивых и бесперебойных режимов рекуперативного торможения в реальных условиях устанавливают заданный угол запаса инвертора 83 = 20°—25°.
Блок перевода нагрузки БПН-061 формирует логические сигналы синхронною перевода нагрузки по секциям тягового трансформатора в соответствии с заданной зоной регулирования напряжения. Кроме того, блок формирует фазовые сигналы задержки аОз отпирания тиристоров на интервал коммутации у0; фазовые сигналы ограничения минимальной величины регулируемого угла управления ар min по условию ар min > аОз+уь а также импульсные сигналы -П-cCq, -П-аОз> -П-(Хр длительностью 70 мкс. Блок состоит из логических элементов и триггеров.
Фазовый сигнал -П-Оо3 формируется по условиям:
ctfl3 = «о + 633° (350 мкс) при у0 < 6,3°;
а0з = «о + Го при УО > 6,3°,
где у0 — интервал коммутации в контуре с большим напряжением (см, рис. 3.3, д), при этом F фазового угла составляет временной интервал 55,5 мкс. Импульсы с постоянной задержкой 350 мкс (6,3°) формирует одновибратор.
Узел синхронного перевода нагрузки выявляет момент совпадения по времени фазового сигнала ар и опорных фазовых сигналов или апз:
апз = а0з + Yi + 3,6° (200 мкс) при Yj >1,5° (70 мкс);
апз = а0з + + 3,6° (200 мкс) при Yj < 1,5° (70 мкс),
где — интервал коммутации в контуре с меньшим напряжением (см. рис. 3,3, б).
При регулировании в сторону повышения напряжения на тяговых электродвигателях в режиме тяги фазовый угол ар уменьшается. Команда перехода на следующую зону регулирования формируется в момент совпадения фазовых сигналов ар и аОз
При регулировании в сторону понижения напряжения в режиме тяги обратный переход происходит при совпадении фазовых сигналов и апз.
Команды перехода в режиме тяги выдаются в начале полупериода, одновременно с синхроимпульсом.
Различные опорные сигналы для прямых и обратных переходов необходимы для обеспечения гистерезиса при переключении, следовательно, для исключения «звонковой» работы при переходе с одной зоны регулирования на другую,
В режиме рекуперативного торможения максимальные фазовые углы ар ограничиваются величиной фазового сигнала Рогр« Команды перехода в режиме рекуперации выдаются в момент формирования сигнала инверсного тактового импульса лг JJ , т.е. в момент времени (тс —Р) — 3,6° (200 мкс).
Работа тиристорных групп ВИГ^в той или иной зоне определяется логическими сигналами а, b , с 3 b7 d ? которые принимают значения логической единицы или нуля в соответствии с табл* 3,4 для режима тяги и рекуперативного торможения*
Таблица 3.4
Алгоритм логических сигналов управления блока БПН-061
Режим Сигнал Зона регулирования
1 2 3 4
Тяга а 1 0 0 0
Ь 0 1 0 0
с 0 0 1 0
d 0 0 0 1
Рекуперация а 0 0 0 1
Ь 0 0 1 0
с 0 1 0 0
d 1 0 0 0
Блок распределительного устройства БРУ-552 осуществляет распределение управляющих импульсов по плечам ВИП согласно алгоритмам, определяемым табл, 3*1 и 3.2 в соответствии с режимом работы электровоза, зоной регулирования и полупериодом напряжения тяговой обмотки* В режиме тяги выходные импульсные сигналы БРУ jLaj—_n_a8 длительностью 70 мкс подаются на входы усилителей блоков БВУ-549 при совпадении во времени импульсных сигналов: -п-а0, -п-аОз> -п-(хр3 фазовых логических сигналов ФТ? ФТ и логических постоянных сигналов a, b7 с? 63 d * Разрешение или запрет на передачу сигналов в блоки БВУ-549 формируется на выходных микромодулях «И-НЕ& блока БРУ-552*
В режиме рекуперативного торможения выходные импульсные сигналы БРУ -П-aj—_п_а8 формируются при совпадении во времени импульсных сигналов -ГШр> фазовых сигналов 0, фазовых логических сигналов ФР, фр и логических постоянных сигналов а, Ъ, 6, d *
Блок выходных усилителей БВУ-549 усиливает импульсы, поступающие из БРУ-552, В комплекты БУВИП-30 и БУВИП-133 входят по пять кассетных блоков БВУ-549, каждый из которых имеет два идентичных канала усиления. Каждый канал состоит из микросхемного формирователя (см* рис* 2.72), разделительного трансформатора Т1, двухкаскадного транзисторного усилителя и выходного импульсного трансформатора Т2. Выходные импульсы каждого канала БВУ-549 длительностью 70 мкс имеют амплитуду напряжения 20 В? тока — 0,5 А*
Блок противокомпаундирования БПК-540 обеспечивает плавное нарастание тормозного тока в процессе входа в режим рекуперативного торможения и устойчивость режима рекуперации. Блок имеет два идентичных канала воздействия на фазовые углы регулирования а и ав* Схема одного из дифференцирующих каналов блока БПК-540 показана на рис. 3*21. Каждый канал имеет дифференцирующее звено С7—CIO, R2 и операционный усилитель постоянного тока А1 ? которые дифференцируют входное напряжение датчика тока якорей тяговых электродвигателей выделенное логической схемой ИЛИ-МАХ блока измерений Б И-027* Выходные сигналы усилителей обоих каналов (7ОС и Uoc в> пропорциональ-
ные скорости изменения тока ТЭД ——, поступают в блок фазово-dt
Рис. 3,21. Схема дифференцирующего канала обратной связи блока противокомпаундирования БПК-540
го управления БФУ-535 (см* рис* 3.12) и воздействуют на углы ар и ав, определяющие величину напряжения инвертора и ток возбуждения тяговых двигателей в режиме рекуперации*
БПК-540 содержит также реле, срабатывающее в режиме рекуперации и переключающее логический сигнал 1-Т на инверсный сигнал, передаваемый в блок синхронизации импульсов БСИ-541 д ля перевода алгоритма управления ВИП в режим рекуперации.
Блок измерений БИ-927 обеспечивает питание рабочих обмоток датчиков тока якорей ДТЯ1—ДТЯЗ и ДТЯ4—ДТЯ6 и датчика тока возбуждения ДТВ. Система управления ВИП электровозов ВЛ6 5 и каждой секции электровозов ВЛ8 5 содержит по два блока измерений. В комплект блока измерений БИ-027 входит трансформатор питания рабочих обмоток датчиков, выпрямительные мосты и резисторы токовой нагрузки выходных сигналов датчиков* Блок измерений производит выделение посредством диодной логической схемы ИЛИ выходного сигнала датчика наиболее нагруженного ТЭД, который поступает в блок БП-542 и блок БРН-239.
Схема устройства выделения сигнала максимального уровня из идентичных сигналов датчиков тока трех параллельно работающих тяговых электродвигателей приведена на рис* 3.22* Для этой цели
-380 В
Рис. 3,22, Схема выделения наибольшего сигнала датчиков тока
выходные цепи датчиков тока включены параллельно на общую нагрузку R4 через разделительные диоды VD1, VD2, VD3.
Выделение максимального сигнала из выходных сигналов
ЦпЗ датчиков тока ДТЯ1, ДТЯ23 ДТЯЗ происходит вследствие отпирания диода, например VD1, наибольшим по уровню напряжением Остальные диоды схемы будут заперты этим напряжением. Таким образом падение напряжения на выходном резисторе R4 схемы является максимальным по уровню сигналом параллельно включенных выходов измерительных элементов. Схема преобразования сигналов датчиков тока обеспечивает также подачу выходных сигналов датчиков каждого тягового электродвигателя в блок БРН-239.
3.6. Блок автоматического управления тяговыми и тормозными режимами электровозов
Блок автоматического управления БАУ-002 предназначен для автоматического регулирования токов тяговых электродвигателей и скорости движения электровоза в режимах тяги и электрического рекуперативного торможения. В основу принципа функционирования блока БАУ-002 положено соподчиненное двухконтурное регулирование тока якорей тяговых электродвигателей и скорости движения посредством зонно-фазового управления выпрямительно-инверторными преобразователями. Функциональные схемы БАУ-002 показаны на рис. 3.23, 3.24.
В режиме тяги функционируют следующие субблоки БАУ-002 (рис. 3.23):
— блок регулятора тока якорей тяговых электродвигателей БРТЯ-032;
— блок датчиков скорости БД С-083;
— блок регуляторов скорости БРС-023;
— блок согласующих элементов БСЭ-035;
— блок токовой защиты тяговых электродвигателей БТЗ-024;
— блоки выявления скольжения БВС-085 (13 2);
— блок защиты от боксования (юза) БЗ-084;
— блоки промежуточных реле БПР-030 (1? 2);
— блок ограничений БО-037.
Электропитание всех модулей БАУ-002 обеспечивается блоками БП-029 и БП-158 (на функциональных схемах рис. 3.23 не показаны).
к лампочке ДБ
Рис. 3.23. Функциональная схема блока автоматического управления БАУ-002 для режима тяги
В режиме электрического рекуперативного торможения функционируют следующие субблоки БАУ-002 (рис. 3.24):
— блок регулятора силы торможения БРСТ-031;
— блок регулятора тока возбуждения БРТВ-028;
— блок датчиков скорости БДС-083;
— блок регуляторов скорости БРС-023;
— блок ограничений Б О-037;
— блок задатчика интенсивности БЗИ-041;
— блок согласующих элементов БСЭ-035;
— блок токовой защиты тяговых электродвигателей БТЗ-024;
— блоки выявления скольжения БВС-085 (1, 2) ;
— блок защиты от боксования (юза) Б3-084;
— блоки промежуточных реле БПР-030 (1, 2).
Блок регулятора тока БРТЯ-032 предназначен для обеспечения стабилизации тока якорей тяговых электродвигателей в соответствии с заданной величиной и интенсивностью нарастания. Уставка тока задается поворотом главного штурвала контроллера машиниста КМ. Величина тока якорей тяговых электродвигателей контролируется посредством датчиков тока ДТЯ1—ДТЯ6, выходные сигналы которых поступают в блоки измерений БИ-027, где вы-
от КМ-87
к лампочке ДБ
Рис. 3.24. Функциональная схема блока автоматического управления БАУ-002 для режима электрического торможения
делается сигнал наибольшего уровня, поступающий в БРТЯ-032, Блок БРТЯ-032 содержит логический элемент ИЛИ-MIN, выделяющий сигнал меньшего уровня из сигналов задатчика уставки тока или регулятора скорости БРС-023, ограничитель уровня заданного сигнала, элемент сравнения сигналов заданного тока и обратной связи , ПИ-регулятор тока якорей ТЭД и реле установки нулевых начальных условий.
Блок датчиков скорости БДС-083 служит для обработки сигналов осевых тахогенераторов, сглаживания и выделения сигнала, пропорционального наименьшей скорости вращения колесных пар.
Блок регуляторов скорости БРС-023 содержит два регулятора скорости, предназначенные для обеспечения стабилизации скорости движения электровоза в режимах тяги и электрического рекуперативного торможения. Заданная величина скорости устанавливается поворотом рукоятки скорости контроллера машиниста КМ. Скорость движения контролируется осевыми датчиками скорости, выходные сигналы которых поступают в блок измерений БИ-026 и обрабатываются в блоке датчиков скорости БДС-083* Блок БРС-023 содержит элемент сравнения сигналов заданной скорости и обратной связи. Сформированный сигнал рассогласования подается в логический элемент ИЛИ-MIN блока БРТЯ-032.
Блок согласующих элементов БСЭ-035 предназначен для согласования уровней выходных сигналов БАУ-002 и уровней входных сигналов БУВИП: по каналу управления ВИП (7ОС р в режимах тяги и рекуперативного торможения, по каналу управления ВУВ 17ос в в режиме рекуперативного торможения* Блок БСЭ-035 содержит операционные и транзисторные усилители, обеспечивающие согласование уровней и мощности выходных сигналов, электромеханическое реле, производящее переключение входных цепей усилителей в режимах тяги и рекуперативного торможения*
Блок токовой защиты БТЗ-024 обеспечивает токовую отсечку при коротких замыканиях в якорях тяговых электродвигателей путем отключения питания формирователей импульсов управления выпрямительно-инверторными преобразователями* БТЗ-024 содержит электромеханическое реле, включающее лампочку сигнализации на пульте управления при срабатывании защиты при перегрузках.
Блоки выявления скольжения БВС-085 (1,2) служат для выявления избыточного скольжения при боксовании (юзе) колесных пар путем формирования сигнала, пропорционального производной на
пряжения датчиков тока якорей тяговых электродвигателей, напряжения управления ВИП, а также сигналов датчиков скорости* Выходные сигналы блоков БВС-085 передаются в блок защиты от боксования БЗ-084. В случае превышения входных сигналов установленного порога блок БЗ-084 создает посредством блока промежуточных реле БПР-030-2 сигнал включения песочниц и лампочки индикации возникновения боксования (юза) на пульте управления.
.Ело# регулятора силы торможения БРСТ-031 предназначен для регулирования тормозной силы в соответствии с заданной величиной интенсивности* Блок БРСТ-031 содержит отраничитель уровня сигнала заданной тормозной силы, элемента сравнения заданного сигнала и обратной связи, ПИД-регулятор тормозной силы, реле установки нулевых начальных условий, а также устройство разделения каналов управления ВИП и ВУВ*
Блок регулятора тока возбуждения БРТВ-028 регулирует тормозную силу в начале режима рекуперативного торможения посредством управляемого выпрямителя ВУВ тока возбуждения тяговых электродвигателей. Выпрямительно-инверторный преобразователь ВИП функционирует с фиксированными углами регулирования 100—120° 4-й зоны регулирования* Когда ток возбуждения увеличится до максимально допустимой величины (1100 А) производится переключение регулирования блоком БРСТ-031 на канал управления ВИП*
Блок ограничений БО-037 вводит гибкую обратную связь по производной тока якорей (противокомпаундирования) для обеспечения плавного входа в режим рекуперации, кроме того, формирует зависимость тормозной силы предварительного торможения от скорости. При снижении скорости торможения до 40 км/ч отключает гибкую обратную связь по производной тока якорей*
Блок задатчика интенсивности БЗИ-041 задает интенсивность нарастания тормозной силы, ограничение ее по условиям коммутации тяговых электродвигателей и обеспечивает начальную установку нулевых условий регулятора силы торможения блока БРСТ-031 и регулятора тока возбуждения блока БРТВ-028.
Выводы
1. Включение и выключение режимов тяги и электрического рекуперативного торможения электровозов ВЛ65, ВЛ 8 5 производится
без применения силовых коммутационных аппаратов бесконтактным способом посредством подачи и снятия импульсов управления тиристорными плечами ВИП,
2. Важнейшими элементами системы автоматического управления выпрямительно-инверторными преобразователями силовой цепи электровозов являются устройства синхронизации, слежения уровня напряжения тяговых обмоток, стабилизации углов запаса инвертирования, обеспечивающие функционирование силовых преобразователей в режимах тяги и электрического рекуперативного торможения,
3. Автоматическая стабилизация тока тяговых электродвигателей и скорости движения электровозов обеспечивается блоками автоматического управления БАУ-002, не входящими в комплектацию блоков управления БУВИП-030 и БУВИП-133.
Глава 4. МИКРОПРОЦЕССОРНЫЕ СИСТЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ И ДИАГНОСТИКИ ЭЛЕКТРОВОЗОВ
ЭП1, ЭП1М, 2ЭС5К
4.1. Схемы силовых цепей и функциональные схемы систем управления электровозов
Электровозы переменного тока ЭП13 ЭТИМ, 2ЭС5К, ЗЭС5К с зонно-фазовым регулированием напряжения, предназначенные для вождения пассажирских и грузовых поездов на электрифицированных участках с напряжением 25 кВ, созданы на основе проверенных в эксплуатации конструкций серийных электровозов ВЛ65, ВЛ85, ВЛ80Р* Пассажирские электровозы ЭП1 и ЭП1М оборудованы микропроцессорными системами управления и диагностики МСУД, МСУД-М^ грузовые электровозы 2ЭС5К, ЗЭС5К — микропроцессорными системами управления МСУД-М, МСУД-Р.
Упрощенная принципиальная схема силовых цепей электровоза ЭП1 и функциональная схема системы автоматического управления представлены на рис. 4.1.
Силовые цепи пассажирских электровозов ЭП1? ЭП1М аналогичны силовым цепям электровозов ВЛ65 и содержат: тяговый трансформатор ТТ, два выпрямительно-инверторных преобразователя ВИП1, ВИП2, выпрямительную установку возбуждения ВУВ, шесть тяговых электродвигателей (1—6) серии НБ-520В с номинальным напряжением 1000 В и номинальной мощностью 900 кВт, подключенных двумя труппами параллельно по три двигателя к каждому выпрямительно-инверторному преобразователю* Последовательно с каждой труппой электродвигателей включены сглаживающие реакторы PC, снижающие пульсации тока. В режиме тяги обмотки возбуждения OBI—ОВ6 тяговых электродвигателей соединены последовательно с якорями (1—6) посредством тормозных переключателей ПТ. Регулирование напряжения, подводимого к тяговым двигателям, осуществляется изменением фазовых углов отпирания тиристорных плеч ВИП и дискретным бесконтактным переключением
токовой нагрузки на смежные секции тяговых обмоток трансформатора. Дополнительно регулирование тяговых электродвигателей осуществляется тремя ступенями ослабления возбуждения, посредством подключения параллельно обмоткам возбуждения шунтирующих резисторов (на рис, 4Д цепи шунтирования не показаны). Защита силовых цепей от аварийных перегрузок обеспечивается высоковольтным главным выключателем ГВ.
В режиме рекуперативного торможения тормозные переключатели ПТ занимают противоположное (относительно показанного) положение. При этом обмотки возбуждения OBI—ОВ6 отсоединяются от якорей тяговых электродвигателей, а последовательно с якорями включаются диодные блоки Д1—Д6 и стабилизирующие резисторы Rl—R6* Резисторы Rl—R6 предназначены для обеспечения электрической устойчивости режима рекуперации, а также для ограничения токов короткого замыкания ТЭД при аварийном опрокидывании инвертора. Диодные блоки Д1—Д6 исключают переход тяговых машин из генераторного режима в моторный при нарушении сцепления и возникновении избыточного скольжения колесных пар в тормозном режиме. Защита тяговых электродвигателей и преобразователя от аварийных перегрузок обеспечивается быстродействующими выключателями, включенными в цепь каждого ТЭД и высоковольтным главным выключателем ГВ.
Обмотки возбуждения OBI—ОВ6 соединяются последовательно между собой и запитываются от выпрямительной установки возбуждения ВУВ. В этом режиме автоматически регулируется ток возбуждения перетруженного по току якоря тягового электродвигателя посредством шунтирующих тиристорных блоков ПГГ1—ШТ6. Это позволяет приблизить ток перегруженного электродвигателя к току других ТЭД, работающих с заданной нагрузкой, и тем самым уменьшить расхождение токовых нагрузок параллельно включенных якорей тяговых машин.
Силовые цепи каждой секции грузовых электровозов 2ЭС5К, ЗЭС5К по компоновке и режимам функционирования аналогичны силовым цепям электровозов ЭП1 (рис, 4.2), отличаются только количеством тяговых электродвигателей. К каждому выпрямительно-инверторному преобразователю подключено параллельно по два электродвигателя серии НБ-514В с номинальным напряжением 980 и номинальной мощностью 935 кВт.
^гв
тг
Рис. 4.1. Схема силовых цепей электровоза ЭП1 и функциональная схема системы управления: РКА — релейноконтакторные аппараты; ПКУ — нриемно-контактирующее устройство; САУТ — система автоматического управления торможением; КЛУБ — комплексное локомотивное устройство безопасности; ЗТ1, ЗТ2 — задатчики тока тяговых электродвигателей; ЗС1, ЗС2 — задатчики скорости движения; БИ1, БИ2 — блоки индикации; ПИ — панель измерений; МПК1 — технологический микропроцессорный контроллер; ЦМК — центральный микропроцессорный контроллер
оо
ГВ
тт
*-------
Рис. 4,2, Схема силовых цепей электровоза 2ЭС5К и функциональная схема системы управления: КМ — контроллер машиниста; САУТ — система автоматического управления торможением; КЛУБ — комплексное локомотивное устройство безопасности; ОУ — органы управления электровозом; БИ — блок индикации; БС — блок сигнализации; БУЭ — блок управления электровозом
На схемах силовых цепей электровозов ЭП1 и 2ЭС5К изображены также измерительные преобразователи (датчики), сигналы которых используются в алгоритмах управления тяговым электроприводом и оборудованием,
В отличие от серийных локомотивов ВЛ65 в системах автоматического управления электровозов ЭП1? ЭП1М применены датчики токов якорей ДТЯ1—ДТЯ6 (2ЭС5К датчики ДТЯ1—ДТЯ4) и датчики токов возбуждения тяговых электродвигателей ДТВ типа LEM— LT1000. При этом вместо блоков измерений введена измерительная панель ПИ с выходными резисторами датчиков.
В качестве датчиков частоты вращения (скорости движения) ДС использованы импульсные датчики ДПС-У, установленные в буксовых узлах всех шести колесных пар электровозов ЭП1> ЭП1М и в буксовых узлах восьми (двенадцати) колесных пар электровозов 2ЭС5К (ЗЭС5К).
Датчики напряжения ДН1—ДНЗ предназначены для синхронизации работы системы управления выпрямительно-инверторными преобразователями с напряжением тяговых обмоток и для обеспечения контроля уровня этого напряжения. Датчики напряжения представляют собой измерительные трансформаторы, аналогичные применяемым на электровозах В Л 65 и ВЛ85*
Датчики углов коммутации ДК1—ДК43 аналогичные датчикам электровозов ВЛ65 и ВЛ85? обеспечивают измерение интервалов коммутации тиристорных плеч выпрямительно-инверторных преобразователей в режимах тяги и рекуперативного торможения.
Очередность открытия тиристорных плеч ВИП1? ВИП2 в тяговом (выпрямительном) и рекуперативном (инверторном) режимах определяется алгоритмами, аналогичными алгоритмам работы блоков управления БУВИП-030, БУВИП-133 преобразователями электровозов ВЛ65 и ВЛ85* Тиристорные плечи ВИП переключаются посредством импульсных сигналов, формируемых блоками выходных усилителей микропроцессорных систем управления и усиливаемых формирователями импульсов, установленными не
посредственно в корпусах силовых преобразователей* Устройство и принцип действия усилителей и формирователей импульсов аналогичны рассмотренным в гл. 2 для системы автоматизированного управления ВИП электровозов ВЛ65 и ВЛ85. Амплитуда напряжения управляющих импульсов силовых тиристорных приборов ВИП составляет 20 В при токе нагрузки 2,5 А и длительности импульсов 800 мкс.
Включение и выключение тяговых и тормозных режимов производится подачей или снятием управляющих импульсов на тиристорные группы плеч ВИП так же, как на электровозах ВЛ65 и ВЛ85.
Микропроцессорные системы управления и диагностики МСУД, МСУД-М, МСУД-Р выполняют автоматическое управление тяговым электроприводом и электрическими аппаратами, обеспечивая следующие режимы работы электровозов:
— разгон электровоза до заданной скорости движения с автоматическим поддержанием заданных токов якорей тяговых электродвигателей и последующим автоматическим поддержанием заданной скорости;
— рекуперативное торможение с автоматическим поддержанием заданных токов якорей тяговых электродвигателей до заданной скорости движения с последующим автоматическим поддержанием заданной скорости движения на спусках;
— автоматическое плавное торможение с учетом ограничений тормозных характеристик до полной остановки электровоза;
— защиту тяговых электродвигателей от боксования и юза колесных пар;
— автоматическую непрерывную диагностику состояния электрооборудования электровоза;
— стыковку микропроцессорных контроллеров с блоками автоматического управления тормозными режимами и устройствами безопасности движения;
— совместную работу микропроцессорных контроллеров с подключенным совместимым персональным компьютером IBM PC при отладке рабочих программ и моделировании процессов управления.
Для обеспечения перечисленных функций в состав МПСУ включены следующие устройства:
— комплексное локомотивное устройство безопасности (КЛУБ);
— система автоматического управления торможением поездов (САУТ);
— микропроцессорные средства управления и диагностики оборудования электровоза;
— комплект датчиков, задатчиков и исполнительных устройств.
Системы КЛУБ и САУТ входят в систему безопасности движения поезда и относятся к верхнему уровню системы управления, т.е. к устройствам, команды которых имеют высший приоритет.
Система КЛУБ контролирует состояние машиниста (однократная и периодическая проверка бдительности), принимает и расшифровывает сигналы автоматической локомотивной сигнализации (АЛ С), осуществляет световое оповещение о смене информации на индикаторе сигнализации и изменении предельно допустимой скорости движения, производит регистрацию параметров движения.
Система САУТ осуществляет непрерывный контроль скорости движения, предотвращает превышение максимальной допустимой скорости, вырабатывая управляющие команды в микропроцессорной системе управления МСУД. Система САУТ выполняет звуковое оповещение посредством синтезатора речи о сигналах светофоров, разделяющих расположенные впереди блок-участки пути, о приближении поезда на контрольное расстояние (460 м) к переездам, мостам, путепроводам, тоннелям, станциям. Дополнительно на дисплей блока индиюцтии пульта машиниста выводится знако-световая информация названия перегона, номера светофора или названия станции, на которой находится поезд в данный момент времени. Кроме того, САУТ обеспечивает прицельное торможение поезда в том случае, если машинист не отреагировал на предупреждение о необходимости остановки на запрещающий сигнал светофора.
Микропроцессорные средства управления и диагностики оборудования локомотива относятся к среднему уровню системы управления и работают, подчиняясь верхнему уровню. Конструктивно они состоят из блока микропроцессорной системы управления и диагностики с технологическими контроллерами МПК1, МПК2, двух блоков индикации БИ1, БИ2 пультов машиниста, приемно-контак-тирующего устройства ПКУ, последовательных мультиплексных каналов связи между отдельными элементами системы.
Микропроцессорные средства управления и диагностики обеспечивают следующие режимы работы аппаратов и электрооборудования электровоза: АВТОВЕДЕНИЕ, СОВЕТЧИК, РУЧНОЕ УПРАВЛЕНИЕ.
В режиме АВТОВЕДЕНИЕ осуществляется приоритетное исполнение команд систем КЛУБ и САУТ, обеспечивается выполнение трафика движения с выбором режимов ведения поезда* рациональных по расходу электроэнергии на тягу; производится расчет режимов управления для автоматического достижения и поддержания заданной скорости движения с последующей их реализацией. Система управления автоматически переводит функционирование электрооборудования электровоза из режима тяги в рекуперацию и обратно без вмешательства машиниста.
В режиме СОВЕТЧИК реализуется ручное управление тяговым и тормозным режимами с автоматическим поддерживанием заданного тока тяговых электродвигателей и заданной скорости движения, производится расчет и выдача машинисту сообщений о скорости движения, обеспечивающей выполнение графика движения поезда и рациональный расход электроэнергии. Управление режимами работы аппаратов и электрооборудования электровоза осуществляется главным штурвалом контроллера машиниста, задающим ток тяговых электродвигателей посредством задатчика тока ЗТ и рукояткой скорости, задающей скорость движения посредством задатчика скорости ЗС. Переход из режима АВТОВЕДЕНИЕ в режим СОВЕТЧИК происходит после перевода главного штурвала или рукоятки скорости из положения П в положение 0, а также при остановке поезда на запрещающий сигнал светофора или при срыве стоп-крана в составе поезда. Переход в режим АВТОВЕДЕНИЕ возможен при нажатии кнопки АВТОВЕДЕНИЕ блока индикации БИ.
В режиме РУЧНОЕ УПРАВЛЕНИЕ обеспечивается непосредственное регулирование режимов работы тяговых электродвигателей с помощью главного штурвала контроллера машиниста и переключателей пульта управления. Переход из одного режима в другой машинист может выполнить по своему желанию, нажав на клавиатуре соответствующую кнопку.
4,2, Функциональная схема микропроцессорной системы управления и диагностики МСУД электровоза ЭП1
Микропроцессорная система управления и диагностики МСУД содержит три микропроцессорных контроллера — центральный ЦМК и два технологических контроллера управления МПК1 и МПК2, ЦМК обеспечивает обмен информацией между контрол
лерами и пультом управления, блоками индикации, приемно-контактирующими устройствами, а также системами верхнего уровня (КЛУБ, САУТ). Кроме того, он диагностирует релейно-контакторную аппаратуру РКА и другое электрооборудование электровоза. Функциональная схема микропроцессорной системы управления и диагностики представлена на рис* 4*3*
Технологические микропроцессорные контроллеры МПК1, МПК2 последовательно опрашивают датчики системы управления, сельсины задатчиков тока и скорости, принимают дискретные сигналы состояния оборудования электровоза, обеспечивают управление тяговым электроприводом, а также преобразователями частоты и фаз ПЧФ мотор-вентиляторов электровоза* Оба технологических контроллера могут обрабатывать всю информацию одновременно, но в обычном режиме функции управления разделены* В аппаратуре МСУД реализовано резервирование технологических контроллеров с так называемым холодным резервом* При возникновении неисправности в рабочем комплекте он отключается от объекта управления и в работу включается другой комплект.
В аппаратуре микропроцессорной системы управления МСУД предусмотрен встроенный непрерывный контроль, обеспечивающий проверку ее исправности* При возникновении отказов отдельных компонентов аппаратура либо сохраняет работоспособность, либо сообщает оператору о необходимости переключиться на резерв. При отказах компонентов на индикаторах отображается факт отказа, состояние аппаратуры после автоматической реконфигурации и указывается с помощью дисплея поврежденный конструктивно сменный узел*
Блоки индикации БИ1, БИ2, расположенные на пульте управления машиниста, содержат клавиатуру для управлениями режимами работы электрооборудования, дисплеи для отображения информации и систему голосового вывода*
Приемно-контакгирующее устройство ПКУ предназначено для ввода данных в систему и вывода на съемный диск информации о технологических и аварийных режимах работы оборудования для дальнейшей обработки в депо* Мультиплексные каналы допускают обмен информацией между микропроцессорными контроллерами управления и остальными устройствами в последовательном цифровом коде*
Рис. 4.3. Функциональная схема микропроцессорной системы управления и диагностики МСУД: КЛУБ — комплексное локомотивное устройство безопасности; САУТ — система автоматического управления торможением; ЦМК — центральный микропроцессорный контроллер; ДИ1? ДИ2 — ячейки дискретного ввода информации; УД1, УД2 — ячейки вывода дискретных сигналов управления; ПКУ — приемно-контактирующее устройство; МПК1, МПК2 — технологические микропроцессорные контроллеры; БИ1, БИ2 — блоки индикации; ДС — осевые датчики скорости; ИС — ячейка цифровой обработки импульсных сигналов датчиков скорости; ДТ — датчики тока якорей; ДН — датчики напряжения; ЗТ, ЗС — задатчики тока ТЭД и скорости движения; АЦ — ячейка аналого-цифровых преобразователей; ПТ1, ПТ2 — ячейки программируемых таймеров; УВ1, УВ2 — ячейки выходных усилителей; ФС — ячейка фазовой синхронизации; ВФ — ячейка входных фильтров; ДК — датчики углов коммутации; ВС — ячейка обработки входных сигналов
Сигналы о состоянии схемы электровоза, положении органов управления контроллера машиниста и переключателей пульта управления вводятся в ЦМК через ячейки дискретного ввода информации ДИ1.
ЦМК оснащен также ячейками вывода дискретных сигналов управления УД1, позволяющими автоматически переводить функционирование электрооборудования локомотива ИЗ режима ТЯГИ В режим электрического торможения и обратно. ЦМК содержит три ячейки УД? что позволяет обслуживать до 24 управляемых каналов релейно-контакторных аппаратов. Нагрузочная способность одного канала дискретного выхода не превышает 1,5 А, поэтому в отдельных случаях в ячейках вывода дискретных сигналов применяется запараллеливание выходов, обеспечивающее необходимый ток нагрузки.
Сигналы шести датчиков скорости движения ДС поступают в модуль обработки дискретных импульсных сигналов скорости ИС, который обеспечивает гальваническую развязку импульсных сигналов и преобразование их в десятиразрядный двоичный код. Кроме того, в модуле ИС по сигналам датчиков скорости определяется истинное направление движения электровоза*
Сигналы датчиков тока ДТЯ1—ДТЯ6, датчиков напряжения ДН1—ДНЗ, задатчиков тока тяговых электродвигателей ЗТ и скорости движения ЗС подаются в модуль аналогово-цифровых преобразователей АЦ, посредством которых выполняется преобразование этих сигналов в цифровые коды, соответствующее уровням аналоговых сигналов*
Сигналы датчиков углов коммутации ДК1—ДК4, датчиков напряжения ДН синхронизации и слежения за потенциальными условиями обрабатываются в модуле входных фильтров ВФ, затем эти сигналы передаются в модуль фазовой синхронизации ФС и ячейку обработки входных сигналов ВС*
Формирование импульсов фазового управления преобразователями ВИП1, ВИП2 производится в ячейках программируемых таймеров ПТ1* Формирование импульсов фазового управления выпрямителем возбуждения ВУВ и блоками шунтирующих тиристоров ШТ производится в ячейках программируемых таймеров ПТ2. Их работа синхронизирована с основной гармоникой напряжения ТЯГОВОЙ обмотки трансформатора посредством импульсных сигналов модуля фазовой синхронизации.
Усиление и распределение импульсов по каналам управления тиристорными группами выпрямительно-инверторных преобразователей производится в ячейках усиления выходных сигналов УВ1. Усиление и распределение импульсов по каналам управления тиристорными группами управляемого выпрямителя возбуждения и блоками шунтирующих тиристоров производится в ячейках усиления выходных сигналов УВ2. Выходные импульсные сигналы ячеек УВ1, УВ2 передаются дистанционно по кабельным линиям на исполнительные устройства — усилители — формирователи импульсов управления силовыми приборами преобразователей и блоков.
Сигналы о состоянии релейно-контакторных элементов и аппаратов системы управления электровоза вводятся в МПК1 через ячейки дискретного ввода информации ДИ2.
Переключение релейно-контакторных элементов и аппаратов системы управления электровоза осуществляется посредством ячеек вывода дискретных сигналов управления УД2.
Вывод информации на дисплеи организован по принципу многостраничной справочно-информационной системы. Применение графического цветного дисплея существенно улучшает эргономику пульта управления машиниста и позволяет, убрав целый ряд стрелочных приборов, отобразить гораздо больше технологической информации. Благодаря применению цвета в отображении легко удается разделить аварийные, предельные и нормальные величины параметров.
На основном кадре дисплея отображается следующая информация:
— сборка схемы силовой цепи, соответствующий ей режим работы и направление движения электровоза;
— заданная и фактическая скорости движения;
— заданный и фактический токи якоря;
— фактический ток возбуждения тяговых двигателей в режиме электрического торможения;
— сила тяги или торможения, представленная в % от номинальной величины, оптимальные значения тока якоря тяговых двигателей и скорости движения электровоза (режим СОВЕТЧИК);
— номер зоны регулирования ВИП (режим РУЧНОЕ УПРАВЛЕНИЕ).
Машинист может вызвать дополнительные кадры нажатием соответствующих клавиш. На этих кадрах будет отображена информация о токе якоря каждого тягового двигателя, частоте вращения 156
каждой колесной пары, углах регулирования ВИП и ВУВ, состоянии релейно-контакторной аппаратуры и блока МСУД, а также данные для режимов АВТОВЕДЕНИЕ и СОВЕТЧИК (текущие координаты пути, ограничение скорости на участке, время отправления И Прибытия, астрономическое Время).
Структура аппаратных средств блока МСУД показана на рис* 4.4. Поскольку микропроцессорные контроллеры МПК1 и МПК2 одинаковы, они показаны на схеме в виде одного устройства. Микропроцессорные контроллеры МПК1 и ЦМК выполнены на основе одинаковых ячеек. Отличием является ячейка микропроцессора МК, которая в ЦМК содержит дополнительные последовательные порты, преобразующие параллельный код в последовательный и обратно* Это позволяет обмениваться посредством мультиплексных каналов связи информацией с периферийными устройствами, разнесенными в пространстве.
ЦМК содержит две ячейки дискретного ввода информации ДИ (48 входов) и три ячейки дискретного вывода УД (24 выхода), ячейку источников стабилизированного питания (СП).
Посредством дискретных входов ячейки ДИ в ЦМК передаются сигналы светофоров и демодулированные сигналы КОДОВ путевого трансмиттера для анализа смены блок-участков, а также сигналы от релейно-контактных аппаратов электровоза для диагностики ИХ СОСТОЯНИЯ*
Дискретные выходы ЦМК используются для переключения работы электрооборудования локомотива из режима тяги в режим электрического торможения и обратно, управления электропнев-матическим тормозом, а также для переключения МПК1—МПК2 в рабочий режим. Дискретные выходы объединены по схеме ИЛИ и управляют соответствующим оборудованием*
Основу ЦМК составляет микропроцессорный контроллер (МК1) 6010 фирмы Octagon System^ включающий в себя процессор 80386DX фирмы Intel с тактовой частотой 25 МГц* Он имеет оперативное запоминающего устройство с объемом динамической памяти 4 Мбайт, запоминающее устройство с объемом статической памяти 128 кбайт и устройство флеш-памяти объемом 1 Мбайт. Наличие флеш-памяти позволяет разместить необходимое пользовательское программное обеспечение.
Рис. 4.4. Структурная схема аппаратных средств блока МСУД: ПКУ — при-емно-контактирующее устройство; САУТ — система автоматического управления торможением; ЦМК — центральный микропроцессорный контроллер; МК1, МК — ячейки микроконтроллеров; РМ — резервная магистраль; ДИ — ячейки дискретного ввода информации; УД — ячейки вывода дискретных сигналов; СН — ячейки стабилизаторов напряжения; МПК1, МПК2 — технологические микропроцессорные контроллеры; АЦ — ячейка аналого-цифровых преобразователей; ИС — ячейка цифровой обработки импульсных сигналов датчиков скорости; ВС — ячейка обработки входных сигналов; ФС — ячейка фазовой синхронизации; ПТ1 — ячейка программируемых таймеров; УВ — ячейка выходных усилителей; ВФ — ячейка входных фильтров
Плата расширения 5554 Octagon, имеющая четыре последовательных порта* обеспечивает связь с микропроцессором блоков системы безопасности САУТ и КЛУБ. Плата резервной магистрали РМ обеспечивает связь двух последовательных портов процессора с гальванически развязанной резервной магистралью.
Ячейки источников вторичного стабилизированного питания СН преобразуют напряжение бортовой сети (цепей управления) в диапазоне от 35 до 70 В постоянного тока в гальванически развязанные напряжения питания аппаратуры МСУД и аналоговых датчиков внешних сигналов.
В состав каждого технологического контроллера МПК1, МПК2 входит ячейка микропроцессорного контроллера МК с управляющей платой 6010. В ячейку также входит плата резервной магистрали.
Сигналы от датчиков угла коммутации ДК, датчиков напряжения ДН синхронизации и слежения за потенциальными условиями предварительно обрабатываются в ячейке входных фильтров ВФ, в которой установлены необходимые выпрямители, делители и фильтры. В дальнейшем эти сигналы обрабатываются в ячейке фазовой синхронизации ФС и ячейке обработки входных сигналов ВС.
В ячейке фазовой синхронизации ФС из сигнала датчика напряжения ДН выделяется основная гармоника напряжения, частота и фаза которой синхронизованы с частотой и фазой напряжения тяговой обмотки трансформатора. На ее основании формируются импульсы синхронизации, сигналы кодирования четных и нечетных полупериодов изменения напряжения тяговой обмотки, тактовая частота преобразователей «код—фаза» и «длительность-код», сигнал блокировки, запрещающий выдачу управляющих импульсов на преобразователи на интервале вхождения системы управления в синхронизм с напряжением тяговых обмоток.
Процессор микроконтроллера МПК1 (МПК2) работает по прерываниям от импульсов синхронизации сети, формируемых в ячейке фазовой синхронизации ФС, обеспечивая синхронизацию циклов управления МПК с основной гармоникой напряжения тяговой обмотки трансформатора.
Ячейка обработки входных сигналов ВС содержит необходимые компараторы, логические цепи, преобразователи «длительность-код», при ПОМОЩИ которых формируется ЦИфрОВОЙ ДВОИЧНЫЙ КОД сигналов датчиков углов коммутации ДК и датчиков напряжения ДН слежения за потенциальными условиями.
Процессор микроконтроллера МПК1 связан с осевыми импульсными датчиками скорости ДС через ячейку обработки сигналов ИС,
которая принимает импульсы датчиков, обеспечивает их гальваническую развязку и преобразование в цифровой десятиразрядный двоичный код сигнала скорости. Ячейка ИС обслуживает шесть датчиков скорости, расположенных на осях, причем два из них используются одновременно и в системе автоматического управления тормозными режимами САУТ. Вычисление средней скорости движения производится непрерывно на интервале шести полупериодов напряжения тяговой обмотки трансформатора. Расчет выполняется по длительности периода или частоте изменения импульсных сигналов, поступающих от каждого осевого датчика в диапазоне изменения скорости движения от 0 до 160 км/ч.
Преобразование аналоговых сигналов датчиков тока ДТ, датчиков напряжения ДН3 сельсинов задатчиков тока ЗТ, задатчиков скорости движения ЗС в цифровой код производится посредством ячеек аналого-цифровых преобразователей АЦ. Микропроцессорный контроллер МПК1 содержит две ячейки АЦ, Каждая ячейка параллельно за один полупериод многократно преобразует восемь аналоговых сигналов уровня 0—10 В в десятиразрядный двоичный код. Для увеличения помехозащищенности в ячейках АЦ применены аналого-цифровые преобразователи интегрирующего типа.
Сигналы о состоянии схемы электровоза вводятся в микропроцессорный контроллер МПК1 через ячейку ввода дискретных сигналов ДИ, аналогичную использованной в ЦМК. МПК содержит одну ячейку ДИ (24 входа). Переключение релейно-контакторных элементов и аппаратов системы управления электровоза осуществляется посредством ячеек вывода дискретных сигналов управления УД,
Формирование импульсов фазового управления преобразователями ВИП1, ВИП2, выпрямителем возбуждения ВУВ и блоками шунтирующих тиристоров ШТ1—ШТ 6 осуществляется в ячейках программируемых таймеров ПТ, Их работа синхронизирована с основной гармоникой напряжения тяговой обмотки трансформатора* Сформированные импульсы управления усиливаются в ячейке УВ, распределяются по каналам управления и передаются дистанционно на исполнительные устройства — усилители — формирователи импульсов управления преобразователями ВИП1, ВИП23 выпрямителем возбуждения ВУВ и блоками шунтирующих тиристоров ШТ1—ШТ6.
4.3. Функциональная схема микропроцессорной системы управления и диагностики МСУД-Р электровоза 2ЭС5К
Усовершенствованная система автоматического управления и диагностики МСУД-Р с расширенными функциями разработана для электровозов 2ЭС5К и ЗЭС5К, Микропроцессорная система МСУД-Р позволяет реализовать следующие режимы:
— РУЧНОЕ УПРАВЛЕНИЕ тяговым электроприводом;
— АВТОМАТИЧЕСКОЕ УПРАВЛЕНИЕ тяговым электроприводом;
— АВТОВЕДЕНИЕ электровоза и поезда;
— диагностика, контроль и управление аппаратами и оборудованием;
— самодиагностика аппаратных средств МСУД-Р;
— обмен информацией между блоками и устройствами системы управления по последовательным каналам связи;
— отображение на дисплее информации о движении и результаты диагностики;
— взаимодействие с комплексной подсистемой безопасности.
Функциональная схема микропроцессорной системы управления МСУД-Р показана на рис. 4.5, В состав системы входят следующие основные блоки:
— блок кабины машиниста Б КМ-003;
— блок управления электровозом БУЭ-002;
— блоки управления оборудованием БУО-001;
— блок управления выпрямительно-инверторным преобразователем БУ-284;
— блок сигнализации БС-265;
— блок индикации БИ.
Блоки имеют адресную идентификацию, поэтому несколько однотипных блоков может быть подключено к общему каналу связи, при этом за обработку информации будет отвечать подпрограмма, адрес которой определяется местом подключения блока.
Отличие системы управления МСУД-Р головной и бустерной секций электровоза ЗЭС5К состоит в наличии на головных секциях комплектов оборудования, устанавливаемого в кабинах машиниста. К этому оборудованию относятся: блок кабины машиниста БКМ-0033 блок сигнализации БС-265 и блок индикации ВС3641 GER-SYS. Далее рассматривается устройство МСУД-Р головной секции.
Рис. 4.5. Функциональная схема микропроцессорной системы управления и диагностики МСУД-Р: БКМ-003 — блок кабины машиниста; БУЭ-002 — блок управления электровозом; БУ0-001 — блоки контроля и управления оборудованием; БУ-284 — блоки управления выпрямительно-инверторными преобразователями и управляемым выпрямителем возбуждения; БС-265 — блок сигнализации; ОУ — органы управления электровозом; БИ — блок индикации
Система управления МСУД-Р построена на базе системной и поездной шин, к которым подключаются все блоки и устройства. Обе шины разделены, имеют гальваническую развязку и 100-процентное резервирование.
К системной шине (CAN1/CAN2) головной секции подключаются: блок БС-265, блок БКМ-003, блоки БУО-001, блок БУЭ-002, блоки БУ-284.
Блок кабины машиниста БКМ-003, обеспечивающий ввод информации задания режимов и параметров движения, устанавливается
в кабине электровоза и подключается к системной шине. К блоку Б КМ-003 подключается все органы управления (ОУ) и сигналы от контроллера машиниста (КМ), расположенные на пульте машиниста и его помощника. Информация на управление электровозом передается остальным блокам и модулям системы управления МСУД-Р в последовательном коде*
Блок управления электровозом БУЭ-002 выполняет функции диспетчера связи с различными устройствами (абонентами) системы, В том числе различными системами, включенными по системе многих единиц (СМЕ). Блок БУЭ-002 устанавливается в кузове электровоза и подключается к системной шине, поездной шине и последовательным каналом, связанным с внешними системами, к которым относятся система тепловою контроля, система управления роторным компрессором, подсистема безопасности И Т.Д,
Микроконтроллеры блока БУЭ-002 осуществляют регулирование скорости PC и защиту от синхронного боксования ЗБС* Кроме тою, микроконтроллер БУЭ-002 программно переключает режимы ручною управления, автоматического управления и автоведения по командам от пульта машиниста* Для реализации режима автоведения микроконтроллер рассчитывает режим движения поезда в зависимости от номера маршрута (сигнал поступает по последовательному каналу CAN3/ CAN4 от блока индикации БИ), реальной обстановки (сигналы светофоров, номер блок-участка и т.д., поступающие по последовательному каналу CAN6 от подсистемы безопасности) и базы данных, отражающей профиль пути. В режиме авторегулирования задания скорости и силы тяги поступают по последовательному каналу от БКМ-003* Значение текущей скорости колесных осей, вычисленное по импульсам, поступающим от датчиков частоты вращения ДС1—ДС4 в блоках управления оборудованием БУО-001 поступает в БУЭ-002 по последовательному каналу CAN1/ CAN2*
Блоки управления ВИП и ВУВ БУ-294 реализуют функции управления тяговым приводом электровоза во всех режимах* Блоки БУ-284 устанавливаются в непосредственной близости от установок ВИП и ВУВ электровоза. К системе управления МСУД-Р блоки БУ-284 подключаются через системную шину CAN1/ CAN2*
Блок БУ-284 содержит два микропроцессорных контроллера, один из которых находится в холодном резерве. Микроконтрол
леры блока БУ-284 программно осуществляют регулирование тока якоря РТЯ, тока возбуждения РТВ, слежение за потенциальными условиями в режиме тяги РСП, поддержания угла запаса РУЗ и выравнивание нагрузок РВН в режиме рекуперативного торможения, а также защиту от боксования и юза ЗБТ.
Блоки контроля и управления оборудованием БУО-001 электровоза осуществляют ввод дискретной информации устройств цепей управления — контактными аппаратами электровоза (блок-контактов реле и контакторов, обозначенных как датчики ДД) и вывод команд на управление исполнительными устройствами ИУ (контакторами управления оборудованием). Количество блоков БУО-001 определяется количеством контролируемых параметров схемы и исполнительных устройств ИУ. Блоки БУО-001 устанавливаются на панелях, где размещено контролируемое оборудование* К системе управления МСУД-Р блоки БУО-001 подключаются посредством системной шины CAN1/ CAN2*
Блоки индикации БИ обеспечивают вывод информации машинисту и ввод от машиниста команд в систему. В качестве блоков БИ в системе управления МСУД-Р применены промышленные компьютеры типа ВС3641.
Блоки сигнализации БС-265 также обеспечивают вывод обобщенной информации машинисту. Блоки БИ и БС-265 устанавливаются в кабинах электровоза и подключаются к системной шине CAN3/ CAN4.
Для связи с диспетчерскими пунктами и передачи диагностической информации в последовательном коде предусмотрена возможность использования радиомодема, входящего в состав аппаратуры безопасности, и разъема USB-порта для подключения съемного энергонезависимого накопителя.
Управление преобразователями тягового привода осуществляется с помощью контроллера машиниста КМ или автоматически (в режиме автоведения) путем изменения углов открытия тиристоров ВИП, а в режиме электрического торможения, кроме того, путем изменения углов открытия тиристоров ВУВ. Изменение угла открытия тиристоров осуществляется программным способом при помощи микроконтроллеров, входящих в состав блоков БУ-284* Информация об углах коммутации поступает к блоку БУ-284 от датчиков углов коммутации ДК1—ДК4 (см* рис. 4*2), а
О значениях токов якорей и возбуждения — от датчиков тока ДТ (ДТЯ1—ДТЯ4 и ДТВ),
Сигналы о величине напряжения на тиристорах преобразовательных установок ВИП и тяговых двигателях для блоков управления БУ-284 поступают от датчиков напряжения типа LEM.
Каждый ВИП на электровозе управляется от индивидуального блока управления БУ-284. Таким образом, система управления электровозом позволяет реализовать программным способом как традиционное групповое управление всеми тяговыми двигателями секции, так и потележечное управление.
Задания скорости и тока в ручном режиме и режиме автоматического управления производится с помощью контроллера машиниста. Сигналы от контроллера машиниста ВВОДЯТСЯ в систему управления через блок кабины машиниста БКМ-003.
Программа контура регулирования скорости реализована в БУЭ-002 секции электровоза* из которой ведется управление. Этой секции присваивается статус «ведущей». Ведущая секция определяется при включении тумблера «МСУД» на блоке автоматов кабины машиниста, блоку БУЭ-002 которой присваивается признак «ведущий». Отсюда по последовательному каналу передаются индивидуальные задания всем блокам БУ-284, реализующим контуры регулирования ТОКОВ.
Такое построение САУ позволяет подключать любое количество секций, как одной отдельной секции, так и в составе двух или трех (бустерных) секций.
Информация о состоянии оборудования любой секции электровоза отображается на экране блока индикации БИ по запросу машиниста. Вся информация передается на блок индикации по последовательному каналу CAN 3/CAN 4 и хранится в памяти блока индикации в течение всей поездки. Диагностическая информация записывается в съемную флеш-память в конце рейса или по какому-либо нештатному событию.
4.4. Алгоритмы управления тяговым электроприводом электровоза ЭП1
Тяговый режим. В этом режиме система автоматического управления обеспечивает четырехзонное фазовое регулирование выпрямительно-инверторных преобразователей (и соответственно скоро-
ста движения электровоза) со стабилизацией тока тяговых электродвигателей при последовательном возбуждении* Для расширения д иапазона регулирования скорости предусмотрены три ступени д искретного ослабления возбуждения тяговых электродвигателей при переходных процессах.
Функциональная схема САУ3 показанная на рис. 4*6? представляет собой двухконтурную схему с внешним независимым контуром регулирования скорости движения и внутренним соподчиненным контуром регулирования тока тяговых электродвигателей. Все
Рис. 4.6 (начало). Функциональная схема САУ для режимов тяги (я) и рекуперативного торможения (6): ДН — датчик напряжения; ФС — блок фазовой синхронизации; ЗТ, ЗС — задатчики тока ТЭД и скорости движения; ЭС1, ЭС2 — элементы сравнения сигналов; ОСС — элемент ограничения сигнала рассогласования скорости; ЗТЯ — программный блок формирования сигнала заданного тока ТЭД; РТЯ — регулятор тока ТЭД; ПТ1 — блок программируемых таймеров; БФУ — программно-логический блок зонно-фазового управления ВИП; БРЗТ — программный блок регулирования заданного тока; БЗБЮ — блок защиты от режимов боксования-юза; ДТЯ1—ДТЯ6 — датчики тока ТЭД; ДС1— ДС6 — осевые датчики скорости; БДС — блок цифровой обработки импульсных сигналов осевых датчиков скорости; БОТ — блок ограничения тока возбуждения; БФУР, БФУВ, БУПГГ — программно-логические блоки фазового управления ВИП, ВУВ, ШТ; БДГЯ, БДТВ — блоки программной обработки сигналов датчиков тока якорей и возбуждения ТЭД; ДТВ — датчик тока возбуждения ТЭД; АЦ1, АЦ2 — блоки аналого-цифровых преобразователей
Рис. 4.6 (окончание)
преобразования и обработки сигналов САУ производятся программно в цифровых кодах. Функциональная схема отображает преобразование сигналов управления основными программными блоками, а также взаимодействие этих программных блоков, обеспечивающее выполнение алгоритма управления тяговым электроприводом электровоза в режимах тяги.
Задание уровней регулируемых переменных — скорости движения К3 и тока тяговых электродвигателей /зи в режиме работы микропроцессорной системы управления МСУД СОВЕТЧИК производится задатчиками скорости ЗС и тока ЗТ. Обратная связь по скорости создается осевыми импульсными датчиками скорости ДС1—ДС6 и программным блоком обработки импульсных сигналов датчиков БД С. Сигнал рассогласования скорости AV, формируемый элементом сравнения сигналов скорости ЭС1, в начальный момент пуска будет иметь максимальную величину, поэтому с целью дальнейшего масштабного сопоставления его с сигналом заданного тока ТЭД производится ограничение уровня сигнала рассогласования в блоке ограничения сигнала рассогласования скорости ОСС. Блок ИЛИ-MIN производит сравнение по модулю сигналов задатчика тока и блока ограничения сигнала рассогласования ОСС? передавая в программный блок формирования задающего сигнала тока якорей тяговых электродвигателей ЗТЯ сигнал, меньший по модулю.
Программный блок ЗТЯ обеспечивает плавное нарастание задающего сигнала тока якорей тяговых электродвигателей до установленного уровня, а также его изменение по сигналу блока защиты от режимов боксования-юза БЗБЮ. Выходной сигнал блока ЗТЯ, равный в цифровом представлении заданной величине действительного тока ТЭД /яз, передается в элемент сравнения тока ЭС2.
Обратная связь по току создается датчиками тока якорей ДТЯ1— ДТЯ6. Аналоговые сигналы датчиков преобразуются блоком аналого-цифровых преобразователей АЦ1 в цифровые коды и масштабируются по величинам, равным действительным токам якорей ТЯГОВЫХ электродвигателей.
Ток якорей пульсирует вследствие питания тяговых электродвигателей пульсирующим выпрямленным напряжением, в то время как регулирование фазовых углов управления ВИП производится по постоянному среднему значению тока. Поэтому для вычис
ления среднего значения тока считывание цифровой информации аналогов©-цифровых преобразователей АЦ1, преобразующих аналоговые сигналы датчиков тока, производится многократно за каждый полупериод изменения напряжения тяговой обмотки. В программном блоке обработки сигналов датчиков тока якорей БДТЯ производится вычисление средних за полупериод значений сигналов датчиков тока и выделение из них наибольшего по модулю. Вычисление средних значений производится по сигналу синхронизации, формируемому в блоке фазовой синхронизации ФС в момент прохождения через нулевой уровень основной гармоники напряжения датчика ДН. Выделенный наибольший сигнал БДТЯ передает в элемент сравнения сигналов тока тяговых электродвигателей ЭС2.
Обратная связь по сигналу датчика тока наибольшего уровня обеспечивает регулирование ВИП по току наиболее нагруженного тягового электродвигателя, что предотвращает возможность перегрузок электродвигателей и возникновения разносного боксования*
Сигнал рассогласования по току передается в программный блок регулятора тока якорей (РГЯ), в котором производится вычисление с пропорционально-интегральным законом регулирования числовой переменной, передаваемой в программируемый таймер ПТ1.
Таймер отсчитывает от переднего фронта импульса синхронизации интервал задержки времени, пропорциональный числовой переменной регулятора* по которому в программно-логическом блоке фазового управления (БФУ) формируются импульсные сигналы фазового управления тиристорными плечами ВИП1 и ВИП2.
Программно-логический блок БФУ обеспечивает формирование импульсов управления ВИП на всех зонах регулирования в соответствии с алгоритмом управления тягового режима, рассмотренным в п. 3.2 (см* табл. 3*1)*
Импульсные сигналы блока БФУ подаются в модуль формирования выходных сигналов, выходные цепи которого имеют гальваническую развязку, усиливаются по амплитуде, длительности и мощности и передаются по кабельным линиям на исполнительные формирователи импульсов управления силовыми тиристорными приборами ВИП1 и ВИП2*
Программный блок цифровой обработки импульсных сигналов осевых датчиков скорости БДС производит вычисление средней скорости движения по длительности период а или частоте измене
ния сигналов каждого датчика. Из вычисленных сигналов выделяется наименьший по модулю и передается в элемент сравнения скорости ЭС1. Регулирование тягового электропривода по сигналу наименьшей величины скорости исключает системную ошибку в алгоритме управления в случае возникновения боксования одной из колесных пар*
Программный блок БДС производит также выделение сигнала наибольшей величины скорости боксующей колесной пары и передает этот сигнал в блок защиты от боксования-юза БЗБЮ* Выходной сигнал этого блока, сформированный при превышении сигнала рассогласования датчиков скорости установленного порога срабатывания, передается в программный блок регулирования заданного тока БРЗТ, посредством которого понижается величина сигнала заданного тока 7ЯЗ блока ЗТЯ для ликвидации возникшего избыточного скольжения (бОКСОВЭНИЯ) КОЛССНО-МОТОрНОГО блОКД*
Режим рекуперативного торможения- В этом режиме система автоматического управления обеспечивает четырехзонное фазовое регулирование инвертирующих преобразователей ВИП со стабилизацией скорости движения И тока ТЯГОВЫХ электрод вигателей При питании обмоток возбуждения тяговых электродвигателей от управляемого однофазного выпрямителя ВУВ. Функциональная схема САУ для режима рекуперативного торможения показана на рис. 4*6, б.
Функциональная схема САУ представляет собой трехконтурную схему с внешним независимым контуром регулирования скорости движения и двумя внутренними подчиненными контурами регулирования тока тяговых электродвигателей. Регулирование осуществляется путем изменения тока возбуждения посредством фазовых углов управления ВУВ и напряжения инверторов посредством зонно-фазового управления ВИП.
Задание уровней регулируемых переменных — скорости движения V3 и тока тяговых электродвигателей 7ЗИ в режиме рекуперативного торможения, также как и в тяговом режиме, производится задатчиками скорости ЗС и тока ЗТ*
Контур регулирования скорости в режиме рекуперативного торможения функционирует аналогично тяговому режиму* Обратная связь по скорости создается осевыми импульсными датчиками скорости ДС1—ДС6 и программным блоком обработки импульсных сигналов датчиков БДС. Сигнал рассогласования скорости AF
формируется элементом сравнения сигналов скорости ЭС1 и ограничивается по величине в блоке ограничения уровня сигнала рассогласования ОСС* Блок ИЛИ-MIN производит сравнение по модулю сигналов задатчика тока и блока ограничения сигнала рассогласования скорости, передавая в блок формирования задающего сигнала тока рекуперации тяговых электродвигателей ЗТЯ сигнал, меньший по модулю.
Программный блок ЗТЯ обеспечивает* как и в тяговом режиме, плавное нарастание задающего сигнала тока якорей тяговых электродвигателей до установленного уровня* а также его изменение по сигналу блока защиты от режимов боксования-юза БЗБЮ*
Аналоговые сигналы обратной связи датчика тока возбуждения ДТВ преобразуются блоком аналого-цифровых преобразователей АЦ2 в цифровые коды* обрабатываются в программном блоке обработки сигналов датчика тока возбуждения БДТВ и через блок ограничения максимального тока БОТВ подаются в регулятор тока возбуждения РТВ.
Аналоговые сигналы обратной связи датчиков тока якорей ДТЯ1—ДТЯ6* также как и в тяговом режиме, преобразуются блоком АЦ1 в цифровые коды* обрабатываются в программном блоке обработки сигналов датчиков тока якорей БДТЯ и подаются в элемент сравнения сигналов тока тяговых электродвигателей ЭС2.
Режим рекуперативного торможения начинается с возбуждения тяговых электродвигателей и последующего входа в рекуперацию (инвертирование тока) на 4-й зоне регулирования напряжения с постоянными фазовыми углами регулирования ВИП в пределах ctp = 90—120°* При этом работа регулятора тока якорей РТЯ блокирована логическим модулем запрета НЕТ, пока ток возбуждения тяговых электродвигателей не достигнет уровня программно установленного ограничения /в тах. Сигнал рассогласования по току якорей ТЭД А1Я при этом подается в программный блок регулятора тока возбуждения РТВ*
В блоке РТВ производится вычисление с пропорционально-интегральным законом регулирования числовой переменной* которая передается в программируемый таймер ПТ2. Таймер отсчитывает временной интервал* пропорциональный числовой переменной регулятора* по которому в блоке фазового управления выпрямителем возбуждения БФУВ формируются импульсные сигналы фазового управления тиристорными плечами управляемого выпрямителя ВУВ.
При достижении тока возбуждения величины ограничения модуль НЕТ снимает запрет на передачу сигнала рассогласования но току якорей АТд в программный блок регулятора тока якорей РТЯ, в котором аналогично тяговому режиму производится вычисление числовой переменной, передаваемой в программируемый таймер ПТ1. Одновременно блокируется работа интегрирующего канала ПИ-регулятора тока возбуждения РТВ.
Таймер ПТ1 отсчитывает от переднего фронта импульса синхронизации временной интервал, пропорциональный числовой переменной регулятора, по которому в программно-логическом блоке фазового управления БФУР формируются импульсные сигналы фазового управления тиристорными плечами ВИП,
Программно-логический блок БФУР обеспечивает формирование импульсов управления ВИП на всех зонах регулирования в соответствии с алгоритмом управления режимом рекуперативного торможения, рассмотренным в п. ЗЛ (см. табл. 3*2).
Импульсные сигналы блока Б ФУ подаются в модуль формирования выходных сигналов, выходные цепи которого имеют гальваническую развязку, усиливаются по амплитуде, длительности и мощности и передаются по кабельным линиям на исполнительные формирователи импульсов управления силовыми тиристорными приборами ВИП.
Программный блок обработки сигналов датчиков тока якорей БДТЯ дополнительно к тяговому режиму выделяет сигнал и код наиболее натруженного тягового электродвигателя. Разностный сигнал датчиков тока передается в блок управления шунтирующими тиристорными блоками БУП1Т, обеспечивая включение соответствующего тиристорного блока (ПГГ1—ШТ6) для выравнивания токовых нагрузок тяговых электродвигателей*
Программный блок цифровой обработки импульсных сигналов осевых датчиков скорости БДС в отличие от тягового режима производит выделение обработанного сигнала наибольшего по модулю, обеспечивая регулирование по наибольшему сигналу скорости движения. Тем самым исключается системная ошибка в алгоритме управления при возникновении юза колесно-моторного блока.
Программный блок БДС производит также выделение наименьшего сигнала скорости юзующей колесной пары и передает этот сигнал в блок защиты от режима боксования-юза БЗБЮ* Выход
ной сигнал этого блока, сформированный при превышении сигнала рассогласования датчиков скорости установленною порога срабатывания, передается в программный блок регулирования заданного тока БРЗТ, посредством которого понижается величина сигнала заданного тока /яз блока ЗТЯ для ликвидации возникшего избыточного скольжения (юза) колесно-моторного блока.
Выводы
1. Усовершенствование бортовых систем управления направлено на расширение функций контроля и управления бортовым оборудованием с применением современных микропроцессорных средств.
2. Развитие элементной базы и накопленный опыт создания микропроцессорных систем позволяет создать унифицированную систему управления, использующую типовые съемные элементы (кассеты).
3. Наиболее универсальной и гибкой по привязке к объекту управления является распределенная система, позволяющая сократить количество проводного монтажа, прокладываемого по кузову.
Глава 5. МИКРОПРОЦЕССОРНАЯ СИСТЕМА
УПРАВЛЕНИЯ АСИНХРОННЫМИ ТЯГОВЫМИ
ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЯМИ ЭЛЕКТРОВОЗА 2ЭС5
5Л. Схема силовой цепи и функциональная схема системы управления преобразователями
Электровозы переменного тока серий 2ЭС5, 2ЭС7 с асинхронными тяговыми электродвигателями и микропроцессорной системой управления и диагностики представляют собой локомотивы четвертого поколения с полностью бесконтактным управлением тяговыми и тормозными режимами. Восьмиосные двухсекционные электровозы этих серий мощностью 9600 кВт, управляемые по системе многих единиц, предназначены для работы на участках переменного тока с номинальным напряжением 25 кВ.
На электровозах 2ЭС5, 2ЭС7 применена типовая блочная компоновка силового электрооборудования с четырехкратным преобразованием энергии, потребляемой из тяговой сети в режиме тяги и рекуперируемой в сеть в режиме электрического торможения. Упрощенная принципиальная схема силовых цепей одной секции электровоза 2ЭС5 показана на рис. 5,1, Тяговый трансформатор ТТ имеет четыре тяговых обмотки, которые подключены к блокам тяговых преобразователей, питающих четыре асинхронных тяговых электродвигателя. Каждый блок тягового преобразователя состоит из четырехквадрантного преобразователя 4QS, сглаживающего конденсаторного фильтра С и автономного инвертора напряжения АИН.
Четырехквадрантные преобразователи 4QS преобразуют переменное напряжение тяговых обмоток трансформатора в стабилизированное постоянное напряжение сглаживающих конденсаторных фильтров в тяговом режиме и инвертирование постоянного напряжения фильтров в переменное в режиме электрического рекуперативного торможения. Кроме тою, преобразователи 4QS обеспечивают форму кривой тока тягового трансформатора, близкую к синусоидальной с достаточно малыми искажениями и практически совпадающую по фазе с напряжением тяговых обмоток. Указан-
Рис. 5,1. Схема силовых цепей электровоза 2ЭС5
ные свойства преобразователей обеспечивают высокие энергетические характеристики, несмотря на четырехкратное преобразование электрической энергии при работе электровоза*
Питание и регулирование каждого асинхронного тягового электродвигателя осуществляется от индивидуального автономного инвертора напряжения АИН* Такая компоновка силовых цепей позволяет уменьшить токовые нагрузки силовых полупроводниковых приборов тягового преобразователя и обеспечивает индивидуального (поосное) регулирование тягового электропривода* существенно улучшая тягово-сцепные свойства электровоза*
Переключение тяговых и тормозных режимов работы, а также изменение направления движения электровоза производится программными средствами без применения силовых электромеханических аппаратов* Защита электрооборудования от перетрузок в эксплуатационных и аварийных условиях выполняется электронными средствами с высоким быстродействием* Защита тягового трансформатора осуществляется главным высоковольтным выключателем ГВ.
Системы автоматического управления электровозов с асинхронными тяговыми электродвигателями имеют явно выраженную иерархическую структуру. Функциональная схема системы автоматического управления асинхронными тяговыми электродвигателями одной тележки секции электровоза 2ЭС5 приведена на рис. 5*2*
-25 Кв. 50 Гц
Рис. 5,2, Функциональная схема системы управления электровоза 2ЭС5
К верхнему уровню относится система управления режимами движения локомотива. Входной информацией для нее являются команды, поступающие от контроллера машиниста КМ, автоматического управления торможением САУТ, приборов безопасности и регистрации параметров движения КЛУБ, а также информационные данные системы контроля и диагностики состояния электрооборудования электровоза* Система управления верхнего уровня задает режимы движения электровоза, режимы работы тягового преобразователя* В ее состав входят подсистемы защиты от боксо-вания-юза, аварийных процессов в силовых цепях, а также подсистема индикации текущего состояния системы управления и электрооборудования электровоза* Эта система является общей для всего электрооборудования электровоза и обеспечивает совместную работу всех подчиненных ей систем.
К среднему уровню иерархии относится система автоматического управления четырехквадрантными преобразователями САУ 4QS и автономными инверторами напряжения САУ АИН, обеспечивающая стабилизацию заданных режимов работы асинхронных тяговых электродвигателей, В ее задачу входит формирование по заданным параметрам режимов работы АТД управляющих сигналов д ля систем импульсно-фазового управления четырехквадрантными преобразователями СИФУ 4QS и автономными инверторами напряжения СИФУ АИН, относящихся к нижнему уровню иерархии систем управления*
На систему управления нижнего уровня также возлагаются функции измерения контролируемых переменных величин: датчиков тока асинхронных тяговых электродвигателей ДТД1—ДТДЗ, датчиков тока flTQl—ДТ(}2 и напряжения flHQl—JJTQ2 контроля функционирования четырехквадрантных преобразователей 4QS, датчиков тока тяговых обмоток трансформатора ДТТ1—ДТТ2, датчиков частоты вращения роторов асинхронных тяговых электродвигателей (датчиков скорости ДС1—ДС2).
Для получения высокого качества управления тяговым электроприводом в статических и динамических режимах в широком диапазоне регулирования скорости необходимо иметь возможность быстрого непосредственного управления электромагнитным моментом электродвигателей* Момент любого электродвигателя определяется величиной и фазой двух моментообразующих составляющих: тока и
магнитного потока, В машинах постоянного тока неизменная фазовая ориентация тока и магнитного потока определена конструктивно фиксированным положением главных полюсов с обмотками возбуждения и щеточного аппарата коллекторного узла. Для получения требуемого момента достаточно непосредственно управлять доступной для измерения одной независимой переменной — величиной тока якоря. Намного сложнее протекают электромагнитные и электромеханические процессы в асинхронных тяговых электродвигателях С короткозамкнутым ротором. ТОКИ И НОТОКОСЦеп-ления статора и ротора вращаются с разными угловыми скоростями, имеют разные изменяющиеся во времени фазовые параметры и не поддаются непосредственному измерению и управлению. Доступной управляемой переменной в асинхронном тяговом электродвигателе является только ток статора, который преобразуется системой автоматического управления в составляющие, образующие магнитный поток и электромагнитный момент. Фазовая ориентация двух этих составляющих может быть осуществлена ТОЛЬКО внешним управляющим устройством. Иными словами, в асинхронном тяговом электродвигателе необходимо обеспечить управление как амплитудой, так и фазой тока статора, т.е. оперировать с векторными величинами.
5.2. Характеристики асинхронного электродвигателя
При анализе характеристик рассматриваются симметричные режимы работы трехфазного асинхронного электродвигателя с короткозамкнутым ротором. Обмотки статора электродвигателя симметричны, имеют пространственные сдвиги между фазами на 120°. Обмотка статора подключена к трехфазной сети с фазным напряжением Ц и в ней возникает симметричная система фазных токов /р С обмоткой каждой фазы сцепляются магнитные потоки, создаваемые непосредственно этой обмоткой и остальными обмотками. Часть магнитного потока, создаваемого самой обмоткой и сцепляющегося только с собственными витками, называется потокосцеплением рассеяния обмотки Другая часть магнитного потока, охватывающая, помимо самой обмотки, также ВИТКИ других обмоток, называется главным или основным потокосцеплением Тт* Индуктивность, связывающая потокосцепление рассеяния с протекающим в ней током, называется индуктивностью рассея
ния Zj а индуктивность, определяющая основное потокосцепление — взаимноиндуктивностъю ИЛИ ИНДУКТИВНОСТЬЮ ОСНОВНОГО НО-токосцепления Lm.
При анализе соотношений между токами и потокосцеплениями асинхронного электродвигателя принято также, что взаимная индукция между статором и ротором обуславливается только основной гармоникой магнитного ПОЛЯ В воздушном зазоре машины. Обмотка статора подключена к трехфазной сети с фазным напряжением Ц и в ней возникает симметричная система фазных токов Z[ *
Для анализа использованы векторные величины напряжения и^=и^е 1 и тока =1^ 1 3 модули которых равны амплитуд-
ным значениям синусоидальных напряжения Ц и тока фазных обмоток двигателя. Параметры короткозамкнутого ротора двигателя приведены к фазным обмоткам статора. Уравнения для обмотки статора в комплексной форме имеют следующий вид:
*А= h+А_ А= h+A J А ~ А * <5-
К =-j&L i =-Jx i . (5.2)
Уравнение для цепи ротора в комплексной форме:
^2 = (Г2 + А * ^*3)
А=->2АА- <5-4>
Уравнение для токов статора и ротора электродвигателя:
В уравнениях (5*1)—(5.5) приняты следующие обозначения:
Гр г2 — сопротивление фазы обмотки статора и приведенное сопротивление ротора;
z^ — приведенная индуктивность рассеяния ротора;
— индуктивное сопротивление рассеяния фазы обмотки статора,
— индуктивное сопротивление цепи намагничивания асинхронного электродвигателя, xm =
ЕХ,Е1 — ЭД С обмоток статора и ротора;
/' — ток ротора, приведенный к обмотке статора;
— индуктивная составляющая тока намагничивания электродвигателя;
/ — активная составляющая тока цепи намагничивания элек-
тродвигателя;
ш1» й2 — угловая частота токов статора и ротора.
Уравнения (5.3), (5.4) для цепи ротора, приведенной к обмотке статора при угловой частоте статора ©р имеют следующий вид:
= -LolZ I = Ё.,
2 2q •'llmm Р
( Ш "I Г/
V Г2^ + ^ ^2~ 7 + 4
I. 2 J V )
(5-6)
(5-7)
где х' — приведенное индуктивное сопротивление рассеяния фазы ротора 2ст
при угловой частоте вц, = ©.£,, 5
Ш2
s =—£ — скольжение ротора, °!
Активное сопротивление цепи ротора можно представить в виде двух составляющих: активного сопротивления обмоток ротора ^2 и сопротивления нагрузки, эквивалентно учитывающего преобразование электрической энергии в механическую:
(5.8)
В соответствии с уравнениями (5.1), (5*2), (5,5)—(5*8) на рис. 5*3 представлена Т-образная схема замещения асинхронного электродвигателя.
Векторная диаграмма напряжений и токов асинхронного электродвигателя, соответствующая схеме замещения рис* 5.3, показана на рис* 5.4, На диаграмме вектор основного потокосцепления направлен по вещественной оси комплексной плоскости*
Рис. 5,3, Схема замещения асинхронного электродвигателя
Рис, 5.4. Векторная диаграмма напряжений и токов асинхронного электродвигателя
На векторной диаграмме обозначены:
4^ , 4^ — векторы потокосцепления рассеяния статора и ротора;
4'1,4'2 — векторы потокосцепления статора и ротора;
4* =Т +4* ; Т =4f +4\ *
1 m 1ст 2 m 2ст >
Ф], <р2 — фазовые углы между векторами напряжения и тока статора, ЭДС и тока ротора,
5 — фазовый угол между током статора и потокосцеплением
ротора Ф2 (угол нагрузки)*
Приведенный ток ротора асинхронного двигателя определяется выражением:
(5.9)
или в вещественной форме:
(5.10)
Активная мощность, потребляемая асинхронным двигателем из питающей сети, равна
^1=|*У1с08<Р1. (5.11)
Часть этой мощности выделяется в виде электрических потерь в активных сопротивлениях обмоток статора и в магнитопроводе двигателя* Электромагнитный момент асинхронного двигателя определяется мощностью, передаваемой в ротор двигателя и отнесенной к угловой частоте вращения электромагнитного поля статора:
(5.12)
После подстановки в формулу (5*12) выражения (5-10) для тока
ротора и угловой частоты вращения поля статора о* =—- элект-1 Z
р
ромагнитный момент асинхронного электродвигателя определяется следующим выражением:
(5.13)
Если выразить ЭДС ЕА в формуле (5.13) через ток ротора (5.10), то можно упростить выражение электромагнитного момента:
3 z
М (5.14)
эм 2 2^
где
(5.15)
zp — число пар полюсов обмотки статора.
Так как ЭДС Е^ зависит от нагрузки асинхронного двигателя, то д ля определения электромагнитного момента ЛГЭМ следует выразить напряжение [Z, используя уравнения (5*1) и (5.5):
и,=-Ё..+(?: + Д }i=-E +(г + Д Vzi+Z + Л ). (5.16) 1 1 \ 1 J Тст/ 1 1 U J 1оД 2 m ОаУ
Согласно Т-образной схеме замещения ток намагничивания I и приведенный ток ротора I* определяются следующими форму-Лл
лами:
(5.17)
(5.18)
Величиной тока /0 по сравнению с I в уравнении (5*16) с достаточной точностью можно пренебречь. Отсюда уравнение для цепи статора асинхронного электродвигателя имеет вид:
(5-19)
В формуле (5Л 9) обозначена постоянная электродвигателя:
Г 4- /X
С=1+ 1 ltT* (5.20)
jx J т
Если пренебречь в формуле (5 Л9) величиной по сравнению с ух1§> то можно принять:
г + ух X
1+J----^-»1+^-=с (5.21)
ух X 1
J т т
ЭД С электродвигателя Е^ определяется из уравнения (5 Л 9) в вещественной форме следующим выражением:
(5-22)
После подстановки выражения (5*22) в (5Л4) получена формула электромагнитного момента в зависимости от напряжения Ц и частоты jj питающей сети:
М
эм
(5.23)
Генераторный Двигательный Режим
Рис. 5,5, Зависимость электромагнитного момента от скольжения ротора
Графическая зависимость электромагнитного момента от скольжения ротора показана на рис. 5.5.
ЭДС -Ej можно выразить через основной магнитный поток в воздушном зазоре Фт электродвигателя:
Е =2п£мКл Ф , (5*24)
1 J1 1 обм т v 7
где — число витков обмотки статора;
^обм — обмоточный коэффициент обмоток статора электродвигателя.
После подстановки выражения ЭДС из (5,24) в (5.14) для электромагнитного момента получается формула:
ЗжЛГ- z д
М = 1 обм р 7>ф 27 (5.25)
эм 2 2 т т2 2 Р 2 т т2
Величины и в выражении (5*23) можно считать до-
>
статочно малыми по сравнению с величиной —. С некоторым при-ближением ими можно пренебречь, тогда формула д ля электромагнитного момента будет иметь вид:
3 z М р 1 , эм 2 г
—
1 1 S
(5.26)
Если выразить скольжение j через отношение частот тока ротора^ и тока статора то зависимость электромагнитного момента асинхронного электродвигателя от напряжения и частоты статора определится следующим выражением:
3 z,4
(5-27)
М----------г^г.
эм 2 2^^ f^
Отсюда следует закон пропорционального регулирования на-
пряжения и частоты при постоянстве электромагнитного момента (закон Костенко)
(5*28)
Зависимость электромагнитного момента асинхронного электродвигателя от частоты показана на рис* 5.6.
В процессе пуска асинхронных тяговых двигателей (АТД) с под
держанием постоянного электромагнитного момента производится увеличение частоты от минимальной величины Д = 0,5—1 Гц до номинальной при одновременном пропорциональном изменении величины питающего напряжения {7р так чтобы основной магнитный поток электродвигателей Фт оставался неизменным. Для поддержания постоянного пускового момента электродвигателей необходимо обеспечить неизменность тока ротора Последнее достигается за счет поддержания постоянной частоты ЭДС
Рис. 5.6. Зависимость электромагнитного момента от частоты напряжения питающей сети
f-> (см. формулу (5*3))* Скольжение ротора в процессе пуска уменьшается от 1 до номинальной величины, принятой для асинхронных тяговых электродвигателей 5Н = 0,01— 0,015* Номинальной считается частота /1н> при которой создается номинальный магнитный поток Ф при но-минальном питающем напряжении (71н и номинальном токе статора /1н*
При увеличении частоты выше номинальной Д > /1н ВОЗМОЖНОСТЬ повышения питающего напряжения исчерпывается, оно остается неизменным, равным (71н. В результате происходит уменьшение основного магнитного потока электродвигателей Фт по гиперболическому закону. В этих условиях для поддержания постоянного электромагнитного момента требуется увеличения тока ротора /2 путем увеличения скольжения, что недопустимо по условиям токовых нагрузок электродвигателей. Следовательно, при регулировании частоты выше номинальной электромагнитный момент также уменьшается по гиперболическому закону. При этом скольжение ротора остается неизменным, равным номинальному 5Н, а частота тока ротора возрастает пропорционально частоте питающего напряжения. Величина тока ротора в процессе регулирования частотыД >/}н в соответствии с (5ДО) и (5,24) будет оставаться неизменной, так как при пропорциональном увеличении частоты /] и одновременно происходит обратно пропорциональное уменьшение магнитного потока статора Ф] и ротора Ф2* В этом режиме мощность, развиваемая электродвигателем, остается неизменной.
Режим регулирования частоты от минимальной величины inin до номинальной /1н называют режимом «постоянства момента», при регулировании частоты выше номинальной Д > Лн — режимом «постоянства мощности» асинхронного двигателя.
5.3« Обобщенные векторы тока и потокосцепления асинхронного электродвигателя
При анализе соотношений между токами и потокосцепления -ми асинхронного электродвигателя Принято, что обмотки статора и ротора симметричны, имеют пространственные сдвиги между фазами на 120°. Симметричное синусоидальное пространственное распределение трехфазных токов или пропорциональных им магнитодвижущих сил МДС позволяет представить эти величины обобщенными пространственными векторами на комплексной плоскости, т.е. векторами, представляющими собой геометрическую сумму отрезков, построенных на Пространственных ОСЯХ фазных обмоток и соответствующих мгновенным значениям фазных токов или МДС.
Обобщенный вектор тока статора можно представить в виде
+ i,,A + i, А2),
1 3 \ 1д Id к / ’
где ila, и /1с — мгновенные значения фазных токов;
Я, Л — операторы поворота фазных токов на 120° и 240°.
2 2
72_ /24О’__1_
Л — V — /
2 2
(5*29)
(5.30)
(5.31)
При таком представлении фазные токи i1A , можно рассматривать как проекции вектора на соответствующие оси фазных обмоток (рис. 5.7, а). Если произвести построение вектора откладывая значения фазных токов на осях обмоток, то
суммарный вектор окажется в 1,5 раза больше того вектора, который соответствует фазным токам (рис. 5.7, б), поэтому выражение
Рис. 5.7. Построение обобщенного вектора тока: а — проекции обобщенного вектора на оси фазных обмоток; б — суммирование векторов фазных токов
(5*29) содержит множитель 2/^ приводящий модуль суммарного вектора к значению, которое даст истинные значения фазных токов (см. рис* 5.7, а)*
Обобщенный вектор тока можно представить в неподвижной системе координат (а — р) с условно обозначенными ортогональными осями а и р в алгебраической форме записи комплексного числа. Для удобства в этом случае совмещают вещественную ось а координат с осью обмотки фазы а, тогда обобщенный вектор тока:
Аар Аа+Ар’
(5.32)
где I , I
1сс’ ф
— проекции обобщенного вектора тока на координатные оси аир.
Выражения для проекций обобщенного вектора тока могут быть
получены из формулы (5.29) путем подстановки операторов поворота (5*30), (5*31), записанных в алгебраической форме, и разделе-
ния на вещественную и мнимую части:
(5.33)
(5.34)
Обобщенный вектор можно представить также во вращающейся системе координат* Если вектор тока 7 представлен в неподвижной системе координат (а —р) с угловым аргументом Х(ар)? то переход к новой системе координат (х — у), вращающейся с угловой частотой и развернутой относительно исходной системы на угол 0(ху) (рис* 5.8, я), осуществляется из соотношения аргументов комплексных чисел:
I = / е^(“₽) = J =! = Y eJ&^y) f5 35ч
lap 1 1 1 Ixy ’
где 7| — модуль обобщенного вектора тока;
— обобщенный вектор тока в системе координат (х — у);
у(ху) — угловой аргумент обобщенного вектора тока в системе коорди
нат (х—у).
Таким образом, преобразование обобщенного вектора тока из неподвижной системы координат (а — р) в вращающуюся систему координат (х—у) определяется следующим выражением:
L = 7 Re“;0H (5.36)
Ixy ap z
На угол поворота ®(лу) системы координат (х—у) не накладывается никаких ограничений, т.е. он может быть постоянным или изменяться произвольным образом. Для системы координат, вращающейся с постоянной угловой частотой он равен
0(хг) = «л. t. (5.37)
Преобразования координат обобщенного вектора тока в алгебраической форме:
Т =1 +jl Ji + =
ху х J у \ a J р/ =(^a+^p){cos[-®(xy)]+jsm[-0(xy)]j, (5.38)
где /1х, — проекции обобщенного вектора тока на координатные оси
X и у.
Преобразования координат можно осуществить не только от неподвижной системы к вращающейся, но и для двух систем координат, вращающихся с различными угловыми частотами. Пусть вектор тока / представлен в системе координат (с/ — д), угол которой относительно неподвижных координат (а — р) обозначен e(dg)
Рис. 5,8, Системы координат вектора тока: а — системы координат (а —₽); (х—у); б — системы координат (a —Р), (х—у), (d—q)
(рис. 5.8, б), угол поворота системы координат (х—у) относительно неподвижной системы координат (а — р) обозначен 9(ху). Преобразование координат в этом случае имеет вид:
т -Т рЛМ _ т _
Ллу 1 Г
= I eH^)e4®(d’)-0M] = I еДЁЙ)-®(^)], (5.39)
1 Izfy ' * '
где I .
1л?
— обобщенный вектор тока в системе координат (J— <?),
v(dq) — угловой аргумент вектора тока в системе координат (d—q).
Таким образом, преобразование обобщенного вектора тока из одной вращающейся системы координат (х —у) в другую вращающуюся систему координат (d—q) определяется следующим вы-
ражением:
7 = 7
Idq 1ху
(5.40)
Обобщенными векторами можно представить также напряжения и потокосцепления, при этом все свойства рассматриваемого обобщенного вектора тока будут присущи этим векторам.
Если пренебречь насыщением магнитопровода асинхронного двигателя, то можно считать магнитные потоки асинхронного двигателя, сцепленные с его обмотками, пропорциональными соответствующим МД С.
С обмоткой фазы сцепляются магнитные потоки, создаваемые непосредственно этой обмоткой и остальными обмотками, а также магнитный поток ротора.
Обобщенный вектор потокосцепления статора:
Ф1=£171+£т72е7®’ (5.41)
где Г — обобщенный вектор приведенного тока ротора, — полная индуктивность статора = Zl(J 4- Lm.
Обобщенный вектор потокосцепления ротора:
Ф2 (5.42)
где Л — полная приведенная индуктивность ротора L' =L + L1 .
В выражениях (5*41) и (5*42) векторы тока ротора и статора записаны в разных системах координат: ток статора / записан в неподвижной системе координат (а — р), связанной со статором, а ток
ротора I' — во вращающейся (смещенной на текущий угол ®) системе координат (х—у)? связанной с ротором.
В полной записи с индексами систем координат обобщенный вектор потокосцепления статора представлен следующим выражением:
Ф, R=Z,Z a+L I' e^LL ft+Z Г R. (5.43) lap П. lap m 2лу П. lap m 2сф 7
Если обе части умножить на оператор поворота , то:
- Vi/*+
= LJlxy +Lm^2xy' (5*44)
Таким образом, при записи обобщенных векторов в одинаковых системах координат выражения для потокосцепления имеют одинаковую форму и индексы системы координат в них можно опустить:
<5-45>
Ф1=А71+£™£2=Ф11+Ф12' <546>
Из приведенных выражений следует, что потокосцепления статора и ротора раскладываются на составляющие, обусловленные собственным током и током другой части двигателя.
Сумма токов статора и ротора образует ток намагничивания асинхронного двигателя:
Ij+/2=7m. (5*47)
В выражении (5.47) пренебрегается активной составляющей тока намагничивания 7^, считая ее достаточно малой по сравнению с током намагничивания I
Обобщенные векторы потокосцепления статора и ротора с учетом (5.47) можно также представить через основной магнитный поток ч7 _ потоки рассеяния статора и ротора Ф : m Ю 2о
Т -/. L+L'T=L 1+(Г +L )Г=Ф +Ф, , (5.48)
2 m 1 2 2 ml \ 2 ст т/ 2 m 2сг
ч-1I/. +L }r+L Г=Ф, + Ф . (5-49)
1 Т 1 m2 \ кг т) 1 т 2 1<т m
5.4. Структурная схема асинхронного тягового электропривода
Система уравнений Кирхгофа для фазных напряжений, токов и потокосцеплении статора асинхронного двигателя имеет следующий вид:
^=71,
(5.50)
Преобразование уравнений (5.50) в форме обобщенных векторов напряжения Ui } тока и потокосцепления Ti в неподвижной системе координат имеет следующий вид:
—(и. =
3 \ 1д w к /
у _ _ \2zfz — _
= +М+Л А2 +-— т, +4* Л + Т. А2
J 1 \ la 1о к / 3 Л ' к к
(5.51)
или
- а
U =rl +________
и1а₽ 1 lap #
Аналогичные преобразования можно выполнить в системе координат (х — у) для фаз ротора:
(5.52)
Л', и' =rl’ +______
(5.53)
Уравнения (5.52) и (5.53) записаны в разных системах координат. Для перевода уравнения (5*53) ротора в неподвижную систему координат (а — 0) надо умножить обе его части на оператор пово-— /0 __
ротае и представить вектор потокосцепления в новой системе как "" ^2а₽еПосле преобразовании получается уравнение ротора в векторной форме в системе координат статора:
r7' >Т , 'Т , -7, /с
U2<$ Г212^ Л 7 dt Т2ар ЪЛар+ dt 7°Т2ар’(5,5 )
где ф=— — угловая скорость вращения ротора, dt
Переход к неподвижной системе координат в уравнении ротора приводит к разложению слагаемого, соответствующего ЭДС индук-
ции на две составляющие — ЭДС трансформации —- и ЭДС вра-dt
щения j<oY2 * Разложение ЭДС индукции на составляющие является математической операцией, связанной с преобразованием системы координат. Уравнения (5,52) и (5,54) записаны для неподвижной системы координат. Их можно объединить в общую систему для решения. Кроме того, оба эти уравнения можно представить в некоторой произвольной системе координат (т — и), вращающейся с произвольной угловой частотой
_ _ d'K
U. =rl +—5- + Т
111 dt тп 1
(5.55)
+ J ш
J _ тп
-о Т2,
(5,56)
Уравнения (5,55) и (5*56) показывают, что выбором системы координат можно исключить ЭДС вращения в одном из уравнений.
Электромагнитный момент асинхронного электродвигателя, определяемый формулой (5.25), можно выразить с учетом положения векторов тока ротора и основного потокосцепления (см. рис. 5.4) модулем векторного произведения обобщенных векторов тока ротора Г и основного потокосцепления
^3M4ZP (5.57)
Выражение (5.57) электромагнитного момента является малопригодным для создания системы векторного управления, так как содержит практически неподдающийся измерению и управлению приведенный ток ротора
Электромагнитный момент асинхронного электродвигателя с учетом выражений (5.48), (5.49) можно выразить, используя обобщенные векторы тока статора / и потокосцепления ротора Ч/2, следующей формулой:
^-1 (Т2хТ), (5.58)
эм 2 р L т 1
Обобщенное выражение для модуля векторного произведения двух векторов X и Y в произвольной системе координат имеет вид:
М= XxY] = Xir2-X2Yl,
(5.59)
где -ЛГ, ЛГ s T^s — проекции векторов J и Уна ортогональные оси системы координат.
Если выбрать систему координат, жестко связанную с первым вектором, входящим в векторное произведение (5.58), то его модуль определится более простым выражением
M = XxY=X1Yr
(5.60)
Таким образом, в выбранной системе координат выражение для электромагнитного момента асинхронного электродвигателя определяется произведением модуля первого вектора и проекцией второго вектора на ортогональную ось координат.
В зависимости от целей исследования, наиболее адекватного отражения условий работы асинхронной машины, а также стремления к максимальной простоте математического описания, процессы в АТД рассматривают в системе координат, вращающейся с той или иной угловой частотой, Наиболее общим случаем является запись системы уравнений трехфазной асинхронной машины в ортогональной системе координат (т — и), вращающейся в пространстве в общем случае с произвольной угловой скоростью
В теории электромагнитных переходных процессов электрических машин используются три основные ортогональные координатные системы, являющиеся частными случаями системы координат (т — и).
Система координат, неподвижная относительно статора двигателя, т.е. = 0. В большинстве случаев для этой системы принято обозначение ортогональных координатных осей аир. Основное
преимущество системы координат (а — Р) состоит в том, что при выборе положения одной из ее осей (принято положение оси а5 совпадающее с магнитной осью одной из фаз реальной машины), эквивалентный ток статора, представленный обобщенным вектором / , будет равен реальному фазному току двигателя г1д* Определенную сложность при создании модели асинхронного электродвигателя в системе координат (а —р) представляет наличие гармонической составляющей в проекциях обобщенных векторов тока /jpj и напряжения (Zip на ортогональные оси*
Система координат , неподвижная относительно ротора двигателя и вращающаяся относительно статора с угловой частотой вращения ротора, т.е* * В большинстве случаев для этой системы
принято обозначение ортогональных координатных осей d и q. Такая система координат находит широкое применение при анализе переходных процессов в асинхронных электродвигателях при не-симметрии цепей фаз ротора. В этой системе статорные и роторные переменные изменяются по синусоидальному закону с частотой скольжения ротора*
Система координатг вращающаяся относительно статора двигателя с синхронной скоростью поля статора, т.е. она неподвижна относительно поля статора асинхронной машины; в этом случае угловая частота вращения системы координат сотл = ю1Ф В ряде случаев для этой системы принято обозначение ортогональных координатных осей х и у В этой системе координат проекции обобщенных векторов тока 1Ху и напряжения статора представляют собой постоянные величины и определяются только начальными фазами:
L
ф, -arctg : (5.61)
lx
4V=arctg-A (5.62)
u lx
Уравнения обобщенных векторов, описывающие электромагнитные процессы в асинхронном тяговом электроприводе в произвольной системе координат с угловой частотой вращения характеризуются уравнениями (5.55)> (5*56).
Потокосцепление статора и ротора с учетом всех токов АТД и независимо от выбранной системы координат можно представить выражениями (5,48), (5.49)*
В уравнении для потокосцепления ротора (5*49) входит ток ротора I*} ? который можно представить для ненасыщенной магнитной системы асинхронного электродвигателя в виде:
L _
Г2=-Я-^/г (5.63)
2 2
Учитывая, что рассматривается асинхронный электродвигатель с короткозамкнутым ротором, т*е. =0, и подставляя в уравнение (5.56) ток ротора Т* из (5.63), получено выражение
^•=-pZ Z -Дю -со)*? (5-64)
Л Z т 1 ь2 2 ' тп ' 2
Электромагнитный момент асинхронного тягового электропривода в динамических режимах уравновешивается моментом сил сопротивления движению и моментом сил инерции вращающихся частей и поступательно движущейся массы подвижного состава:
М =М +J^, (5.65)
где — момент сил сопротивления движению Ж(у), приведенных к валу тягового электродвигателя;
— суммарный момент инерции колесно-моторного блока и массы состава, приведенной к валу тягового электродвигателя.
Преобразованное уравнение равновесия моментов (5.65) в операторной форме имеет вид:
©GO
(5*66)
Если принять систему координат (d— q) вращающейся с угловой скоростью <0тл = вектора основного потокосцепления ? И сориентировать ее таким образом, чтобы действительная ось d совпадала с вектором 3 т*е. и вектор и ег0 проекция будут равны
= Т 2d 2’
2-7
= 0 , математическая модель асинхронного тягового
электродвигателя обладает наибольшей простотой.
Рис. 5,9, Пространственное расположение векторов Y и
Взаимное расположение векторов потокосцепления ротора и тока статора показано на рис. 5.9.
Уравнение (5*64) в проекциях на оси выбранной системы координат (d— q) принимает вид:
<5-68>
где со2 — угловая скорость вращения вектора потокосцепления ротора Y2 во вращающейся системе координат (d— q); о)2 = — со;
— модуль вектора потокосцепления ротора;
— проекции вектора тока статора на ортогональные оси системы координат (d—q).
При переходе к операторной форме записи уравнения (5.67), (5*68) принимают следующий вид:
<5-69>
а -г 2^
^Ш-^yrVPy <5.™>
Электромагнитный момент асинхронного электродвигателя при переходе к системе координат (d—q) в соответствии с выражени
ем (5,60) будет определятся произведением модуля обобщенного
вектора потокосцепления ротора и проекции вектора тока стато
ра на квадратурную ось q:
(5-71)
В операторной форме записи выражение электромагнитного момента (5*71) имеет вид:
<5'72)
При совмещении оси d с вектором системы координат {d— q), связанной с ротором, и (л — у), связанной с потокосцеплением ротора, оси d и х совпадают, следовательно, угол поворота системы координат (d—q) относительно ротора будет = 0*
Угол нагрузки 3 в этом случае определяется отношением проекций вектора тока статора на оси d и q*.
6-arctg У (5.73)
А//
В соответствии с уравнениями (5*69)—(5*73) 3 описывающими динамические процессы в асинхронном ТЯГОВОМ электроприводе в системе координат (d—q), составлена структурная схема АТД, показанная на рис. 5*10.
40?)
Рис. 5.10. Структурная схема асинхронного электродвигателя в системе координат (d—q)
Из представленной структурной схемы асинхронного электродвигателя видно, что установившееся значение потокосцепления ротора однозначно определяется составляющей тока статора по прямой оси 7^* В переходном режиме замедление изменения потокосцепления ротора по отношению к составляющей тока статора характеризуется достаточно большой постоянной времени цепи ротора 7^. Электромагнитный момент асинхронного электродвигателя при медленном изменении потокосцепления ротора будет определяться только значением составляющей тока статора по квадратурной оси и следовать за ее изменениями, т.е. электромагнитный момент будет изменяться так быстро, как быстро будет изменяться составляющая тока статора по квадратурной оси Это обстоятельство способствует обеспечению высокого быстродействия системы управления асинхронным тяговым электроприводом,
5.5. Система автоматического управления асинхронным тяговым электродвигателем
Современные системы частотно-управляемых асинхронных электроприводов строятся по принципу подчиненного регулирования.
При использовании системы координат, связанной с потокосцеплением статора Tj или основным потокосцеплением канал управления модулем потокосцепления со стороны статора необходимо формировать по одноконтурной схеме, а в случае использования системы координат, связанной с потокосцеплением ротора — по двухконтурной схеме подчиненного регулирования.
При использовании любых других систем координат системы управления оказываются либо более сложными, либо не обеспечивают требуемое качество регулирования переходных процессов.
Наиболее рациональной является система управления, построенная в системе координат, ориентированной по результирующему вектору потокосцепления ротора двигателя. В этом случае модуль вектора потокосцепления ротора двигателя определяется проекцией вектора тока статора на ось d системы координат (d— #), связанной с вектором потокосцепления ротора (см. формулу (5*69))3 а электромагнитный момент двигателя — произведением модуля потокосцепления ротора двигателя Т2 на вторую (квадратурную) составляющую вектора тока статора (см. формулу (5.72)). Таким образом, можно построить двухканальную систему регулирования 200
асинхронным тяговым электроприводом с независимым управле
нием потокосцеплением и электромагнитным моментом.
Отличительной особенностью системы векторного управления асинхронным тяговым электроприводом является необходимость использования дополнительного вычислительного блока, в кото
ром производится оценка модуля вектора потокосцепления ротора 4*2 и его текущего углового положения. Это производится путем решения в реальном времени системы дифференциальных уравнений, составленных в соответствии с математической моделью асин
хронного электродвигателя.
Функциональная схема системы автоматического управления асинхронным тяговым электроприводом при векторном управлении с использованием вращающейся системы координат (d— q) приведена на рис. 5*11. Питание двигателя осуществляется от источника постоянного тока через автономный инвертор напряжения АИН. В приведенном на рис. 5*11 варианте схемы применены быстродействующие токовые контуры, управляемые во вращающейся системе координат. Поэтому контуры регулирования токов по прямой и квадратурной осям включают в себя преобразователи координат прямого и обратного каналов (ПКП и ПКО). На входах регуляторов токов РТ1 и РТ2 сравниваются между собой сигналы задания токов > и истинные значения соответствующих токов. Выходные сигналы регуляторов тока U*d и U* являются сигналами задания напряжения инвертора. Во вращающейся системе
координат напряжения на выходе инвертора и и1С создают токи в статорных обмотках двигателя и которые после преобразования их в ПКО во вращающуюся систему координат служат сигналами обратных связей по току.
Модель потокосцепления ротора показана на рис* 5*10* Для формирования ее структуры использована формула для угла поворота вектора тока статора для случая ориентации вещественной оси вращающейся системы координат по вектору потокосцепления ротора:
^=© + 0^+8, (5*74)
где (Хр — угол поворота вектора потокосцепления ротора в вращающейся системе координат (d—q);
0 — угол поворота ротора в системе координат (а — ₽);
Рис. 5.11. Функциональная схема системы автоматического управления асинхронным тяговым электродвигателем при векторном управлении
0- jorf/;
(5.75)
где 6 — угол между векторами и 7 (угол нагрузки).
Выражение (5.69) показывает, что при ориентации вещественной оси вращающейся системы координат по вектору потокосцепления ротора значение потокосцепления однозначно определяется составляющей тока статора по прямой оси d. Выражение (5*70) позволяет при известном значении потокосцепления рассчитать значение частоты роторной ЭДС <о2 из составляющей тока статора по квадратурной оси q. Расчет потокосцепления ротора и частоты роторной ЭДС по приведенным формулам обеспечивает ориентацию ОСИ d ПО вектору 4*2 *
Кроме модуля потокосцепления ротора и частоты ротора в модели потока рассчитывается текущее значение угла поворота <3^ вращающейся системы координат (d—q) относительно связанной со статором неподвижной системы координат (а — р)3 а также значение электромагнитного момента двигателя Л7ЭМ (см* формулу (5*72)). Сумма измеренной и умноженной в модели на число пар полюсов частоты вращения ротора со и рассчитанного значения угловой частоты тока ротора со2, определяет текущее значение угловой частоты напряжения статора 0^ = со + со2* Интегрирование этой величины в интеграторе дает текущее значение угла 01+ Это значе-~ /о -у© -
ние используется в блоках е 1 и е 1 преобразователей координат ПКП прямого канала и ПКО канала обратной связи для расчета необходимых значений sin и cos 0*
При ориентации оси d по вектору и расчете через амплитудное значение потокосцепления ротора, а также проекции вектора тока статора на квадратурную ось q электромагнитный момент рассчитывается по выражению (5*72).
Система управления электроприводом, выполненная во вращающейся системе координат, построена по принципам подчиненного регулирования. Внешним по отношению к контуру тока ПО ОСИ d является контур регулирования потокосцепления ротора с регулятором потока РП* Выходной сигнал регулятора потока представляет собой сигнал задания составляющей тока статора по вещественной оси 7 На входе регулятора сравнивается сигнал заданного значения потокосцепления ротора и истиного значения Т2> определенного в модели потока. Внешним по отношению к конгу-
*
ру регулирования тока 7^, является контур регулирования момента со своим регулятором РМ. На его входе сравниваются сигнал М* , который задает значения электромагнитного момента и сигнал обратной связи по моменту 71/эм, вычисленный в модели.
В рассматриваемой схеме исключение влияния перекрестных связей, имеющихся в математической модели двигателя, обеспечивается путем использования быстродействующих контуров регулирования токов. Это позволяет рассматривать подсистему регулирования потокосцепления ротора, как не связанную с подсистемой регулирования момента и делает возможным независимое регулирование потокосцепления ротора подобно тому, как происходит регулирование потока возбуждения в двигателе постоянного тока с независимым возбуждением* В частности, существует ВОЗМОЖНОСТЬ предварительного намагничивания двигателя, т.е. возможность установить ПОТОК ДО того, как на контур регулирования электромагнитного момента будет подан сигнал задания электромагнитного момента и когда скорость двигателя равна нулю.
При двухзонном регулировании скорости в системе предусматривается функциональный преобразователь задаваемого потокосцепления ротора (на рис. 5.11 не показан). Входной сигнал на нем определяется значением скорости. До тех пор пока скорость не превышает номинальное значение, сигнал на выходе функционального преобразователя задает номинальную величину потокосцепления и остается постоянным. Когда скорость превысит номинальное значение, сигнал на выходе функционального преобразователя будет уменьшаться и дальнейшее регулирование будет реализовано с ослаблением потокосцепления ротора при примерно постоянном значении напряжения на статоре*
Узел в структуре электропривода, который производит вычисления проекций векторов тока и напряжения на координатные оси, называют координатным индикатором или тригонометрическим анализатором*
Угловая частота вращения системы координат (d — q) ротора АТД связана с неподвижной системой координат (а — р) углом 0, определяемым соотношениями (5*74) и (5*75).
Связь между составляющими векторов тока И напряжения В системах координат (а —Р) и (d— q) определяется соотношениями:
L, ~ !. cos©-/,. sin0, Id la ip ’
I. =I..co&®+L sin0;
1Д la ’
tZ, = U, jCosO+f/ sin0, la Id 1g
СЛ_ =tr 8010-17, , cos0.
ip 1^ Id
(5.76)
(5.77)
где Ца, Цр5 и UXq — составляющие вектора напряжения в системах координат (а—р) и (d— д) соответственно.
Координатный преобразователь обратного канала ПКО по измеренным токам фаз АТД и /1С определяет проекции тока статора на оси аире использованием выражений (5*33), (5*34).
Далее, по известному углу 0 и проекциям тока статора на оси а и р в соответствии с выражением (5.77) вычисляются проекции тока статора на оси d и q.
Координатный преобразователь прямого канала ПКП по заданным регуляторами РТ1, РТ2 проекциям вектора напряжения управления вращающейся системы координат (d—д) и известному углу 0 вычисляет проекции вектора напряжения управления неподвижной системы координат (а —р). Далее, по проекциям вектора напряжения управления на оси аир вычисляется модуль вектора напряжения управления:
<5 78> действительные фазные напряжения управления инвертора:
* siticoj/; (5.79)
* “15 ~ smfQjZ-no’); (5.80)
* _ * о
“10 = sm(co1/ + 120 )* (5.81)
5.6. Алгоритмы управления автономным инвертором напряжения
Принципиальная схема питания асинхронного тягового электродвигателя от автономного инвертора напряжения приведена на рис. 5.12* На входе инвертора со стороны четырехквадрант -
Рис. 5,12. Принципиальная схема автономного инвертора напряжения
ного 4QS-преобразователя установлен емкостный сглаживающий фильтр С. В каждом плече инвертора параллельно силовым транзисторным модулям (IGBT) VT1—VT6 включены обратные диоды VD1—VD6.
Алгоритм работы АИН определяется величиной углов проводимости транзисторных плеч инвертора. Наилучшие характеристики двухуровневого АИН реализуются при углах проводимости 180°. При достаточно малой продолжительности коммутации транзисторных модулей, близкой к мгновенной, фазное напряжение, подводимое к обмоткам статора асинхронного тяговою электродвигателя, имеет ступенчатую форму, как показано на рис. 5*13* Линейное напряжение, подводимое к обмоткам статора в этом случае имеет прямоугольную форму. Форма фазного тока асинхронного тягового электродвигателя складывается из отрезков экспонент (см* рис. 5.13, фаза Л),
Эффективное значение основной гармоники фазного напряжения в этих условиях составляет 45 % от напряжения входного фильтра (0,45(7^)? эффективное значение основной гармоники линейною напряжения составляет 78 % (0,78 U^).
Регулирование напряжения, подводимою к фазам статора асинхронною тягового электродвигателя, осуществляется применением широтно-импульсной модуляции переключения транзисторных модулей АИН. Синусоидальность фазных токов формируется нелинейным (синусоидальным) законом широтно-импульсной модуляции, применяемой в системе управления АИН путем наложения на высокочастотный тактирующий сигнал ит треугольной формы синусоидальных управляющих сигналов МОДУЛЯЦИИ ~иВ1А> ~UCm> частота изменения которых задает частоту фазною выходною напряжения UA, U& Uc инвертора (рис. 5*14).
Рис. 5,13, Диаграмма выходных напряжений АИН
Определение моментов включения и выключения транзисторных ключей преобразователя производится в соответствии с логическими функциями:
FT1 = J
1(и, -и >0)? v Лм т
0(ir -и <0); 4 Лм т
0^м-"тй0);
(5.82)
(5.83)
VT5 =
1(мсм-«т>°)’
(5.84)
VT2 = VT5; VT4 = VT1; VT6 = VT3.
(5.85)
Напряжение, подводимое к фазам статорных обмоток асинхронного тягового электродвигателя, формируется из последовательности импульсов напряжения различной длительности в соответствии с алгоритмом переключения транзисторных плеч инвертора, образуя эквивалентную за период изменения форму, близкую к синусоидальной. Эффективное значение эквивалентных синусоид фазных напряжений пропорционально амплитуде напряжений модуля-Ц™ ^Лмтах’ ^вмтах’ ^Смтах* Ф°Рма КРИВОЙ фЭЗНЫХ ТОКОВ при 111-ком способе модуляции практически синусоидальна.
Анализ существующих методов модуляции показал, что применение СИНуСОИДаЛЬНОЙ ШИрОТНО-ИМПУЛЬСНОЙ МОДУЛЯЦИИ ПрИВОДИТ К недоиспользованию инвертора по напряжению и требует достаточно большого количества переключений транзисторных модулей, что связано с увеличением потерь в силовом полупроводниковом преобразователе. Наибольшая амплитуда основной гармоники фазного напряжения составляет 0,5 эффективное значение основной гармоники в этом случае составляет 0,354 U# В результате имеет место недоиспользование тяговых свойств асинхронных тяговых электродвигателей. Для того чтобы увеличить эффективное напряже
ние, подводимое к асинхронному тяговому электродвигателю, необходимо переходить от синусоидальной формы фазного напряжения к ступенчатой в зоне частот выходного напряжения, близких к номинальным. Однако такое решение приводит к искажению формы кривой тока статора электродвигателя, снижению электромагнитного момента, увеличению потерь в силовом полупроводниковом преобразователе и асинхронном тяговом электродвигателе, снижению энергетических показателей тягового электропривода.
В настоящее время разработан усовершенствованный метод управления автономным инвертором напряжения, получивший название широтно-импульсной модуляции базисных векторов или пространственно-векторной широтно-импульсной модуляции. Суть метода заключается в переходе к коммутации между несколькими состояниями транзисторных ключей инвертора, каждое из которых соответствует определенному пространственному положению результирующего вектора напряжения, приложенного к статору асинхронного тягового электродвигателя* Одним из важнейших достоинств пространственно-векторной широтно-импульсной модуляции является уменьшение на треть числа переключений транзисторных ключей инвертора (вместо шести на одном периоде изменения тактового напряжения модуляции производится четыре переключения) и следовательно сокращение потерь в силовом полупроводниковом преобразователе.
5*7* Алгоритмы управления четырехквадрантным преобразователем 4QS
Четырехквадрантный преобразователь 4QS представляет собой однофазный управляемый мост, составленный из силовых транзисторных модулей IGBT, параллельно которым включены диоды встречной проводимости. Принципиальная схема включения преобразователя показана на рис, 5*15. Диагональ моста подключена к тяговой обмотке трансформатора, ЭДС которой на схеме обозначена ед* Индуктивность, последовательно включенная со стороны переменного тока, представляет собой индуктивность рассеяния тяговой обмотки трансформатора* Со стороны ПОСТОЯННОГО напряжения параллельно включен емкостной фильтр С и нагрузка в виде автономного инвертора напряжения, питающего асинхронный тяговый электродвигатель* В режиме электрического рекуператив-
i.
Рис. 5,15. Принципиальная схема 4(}8-преобраэователя и автономного инвертора напряжения
ного торможения асинхронный тяговый электродвигатель с автономным инвертором напряжения являются источником энергии с напряжением U& а управляемый транзисторный мост производит инвертирование постоянного напряжения в переменное. Таким образом, четырехквадрантный преобразователь 4QS в зависимости от режима работы следует рассматривать как управляемый выпрямитель тока либо как инвертор напряжения.
Название преобразователя объясняется тем, что преобразователь допускает работу в режимах тяги и торможения. Причем ток, потребляемый из сети, может как отставать от напряжения сети, так и опережать его. Если представить векторы напряжения и тока, потребляемого из сети, на комплексной плоскости и совместить вектор напряжения сети с положительным направлением вещественной оси, то, в зависимости от работы преобразователя в режиме тяги или торможения электропривода, вектор сетевого тока может располагается в любом из четырех квадрантов комплексной плоскости.
Алгоритм управления преобразователем для режима выпрямления тока приведен на рис, 5*16, В процессе управления происходит чередование следующих режимов:
— выпрямление диодами VD1—VD4,
— тактирование включением одного из транзисторных ключей VT1—VT4, при этом тяговая обмотка замыкается накоротко, а из-за малости промежутка замыкания ток в обмотке возрастает незначительно; входной ток конденсаторного фильтра id = 0;
14,= Ц.гаахяп(2яЛ0
Рис. 5.16. Алгоритм управления 405-преобраэователем, диаграмма токов и напряжений
— инвертирование при одновременном включении двух транзисторных ключей диагонали моста VT1—VT2 или VT3—VT4.
Управление транзисторными ключами производится путем совмещения модулирующего напряжения синусоидальной формы, частота которого равна частоте напряжения питающей сети, с тактирующим напряжением треугольной формы, частота которого кратна частоте питающего напряжения. Определение моментов включения
и выключения транзисторных ключей преобразователя производится в соответствие с логическими функциями:
Ци -«>0), FT1 = М Т 0(w -и <0); (5.86)
ъ Ju 1
Г1(-« -и >0),
FT3= т
0(-« -и <0); (5.87)
ъ Ju 1
VT2-VT1; VT4 = VT3. (5.88)
где им = UM max sin 2%fct — напряжение модуляции, сдвинутое по фазе на угол Т относительно первой гармоники напряжения еа] на вторичной обмотке трансформатора;
ят — тактирующее пилообразное напряжение.
Процесс переключения силовых транзисторов преобразователя можно разложить на четыре фазы.
1. Открыты транзисторы в смежных плечах эмиггерной группы VT2 и VT4 (рис. 5*17, а) (интервалы времени 0—1, 4—5, 8—9, 12— 13, 16—17 и 20—21 на рис. 5.16)* Тяговая обмотка замкнута накоротко в первом полупериоде через VT2 и VD4, а во втором полупериоде через VT4 и VD2. Конденсатор фильтра С отсоединен от моста преобразователя* Ток обмотки трансформатора ia нарастает, ток фильтра id = О*
2. Открыты транзисторы в противоположных плечах VII и VT2 (рис. 5.17, б)* Конденсатор фильтра заряжается током тяговой обмотки трансформатора через диоды VD1 и VD2 с сохранением полярности иа = Ud, Ток = /^спадает (интервалы времени 1—2, 3—4, 5—6, 7—8 на рис* 5*16)* ЭД С еа обмотки трансформатора суммиру-di
ется с ЭДС самоиндукции L—- , поддерживая спадающий ток* На dt
интервале 9—10 ЭДС трансформатора изменяет направление и суммируется с напряжением Ud фильтра* Ток в тяговой обмотке изменяет направление на противоположное и нарастает. Преобразователь переходит в режим инвертирования через транзисторы VT1 и VT2.
3. Открыты транзисторы в смежных плечах коллекторной группы VT1 и VT3 (интервалы времени 2—3, 6—7, 10—11, 14—15, 18— 19 на рис. 5*16). Вторичная обмотка трансформатора замкнута на-
Рис, 5.17. Последовательные мгновенные схемы переключения транзисторных ключей 405-преобразователя: а — контур кз. тяговой обмотки; б — контур отдачи энергии тяговой обмотки на входной фильтр; в — контур к.з. тяговой обмотки; г — контур отдачи энергии входного фильтра в тяговую обмотку
коротко в первом полупериоде через VD3 и VT1, во втором полупериоде через VD1 и VT3 (рис. 5*17, в), Напряжение на выходе моста преобразователя Ua = 0* Конденсатор фильтра отделен преобразователя, Ток обмотки трансформатора i нарастает, ток фильтра = 0.
4* Открыты транзисторы в противоположных плечах VT3 и VT4 (рис, 5*17, г). Конденсатор заряжается от тяговой обмотки трансформатора через диоды VD3 и VD4 с сохранением полярности Ua= = Ed„ Ток |—= /^спадает (интервалы времени 11—12, 13—14, 15— 16, 17—18 на рис* 5*16). На интервале 19—20 ЭДС трансформатора изменяет направление и суммируется с напряжением филь
тра* Ток в тяговой обмотке изменяет направление на противоположное и нарастает. Преобразователь переходит в режим инвертирования через транзисторы VT3 и VT4,
Диаграмма напряжения иа на входе в преобразователь 4QS представляет ряд прямоугольных импульсов амплитудой ширина которых изменяется по синусоидальному закону в соответствии с алгоритмом широтно-импульсной модуляции. Следует учитывать, что плечи транзисторного моста преобразователя обладают двухсторонней проводимостью, которая обеспечивается встречно-параллельным подключением обратных диодов.
Напряжение иа на входе преобразователя 4QS, согласно схеме рис. 5.15, приложено к цепи, содержащей последовательно соединенные источники ЭДС еа и индуктивность Z, ток i в которой определяется уравнением
di
L-^ = e -и . (5.89)
dt а а v ?
Изменение тока ia на каждом интервале времени Д/(л) переключения транзисторных ключей определяется формулой
е (п)-и (и)
А/ (5.90)
L
где £д(л)* ид(л) ЭДС и напряжение в цепи тока на w-ном интервале времени.
На трафике рис, 5.16 ток ia изображен в виде ломаной линии. Этот ток является переменным и содержит явно выраженную основную гармонику / j которая сдвинута относительно ЭДС тяговой обмотки на угол ф, близкий к нулю. Амплитуда высших гармоник тока ia зависит от величины напряжения индуктивности L и частоты тактирования f;
А/ =^~. (5.91)
amax
Характеристики переключения силовых транзисторов преобразователя близки к идеальным, поэтому с достаточной точностью можно считать, что мгновенные значения мощности на зажимах постоянного и переменного тока равны, откуда следует:
и
i =i — аи.
а
(5-92)
Так как напряжение иа является разрывной функцией, то и ток у также будет прерывистым. При достаточно большой емкости конденсатора С фильтра изменение напряжения будет незначительным. Переменная составляющая тока содержит достаточно большую по величине гармонику с частотой 2fc. Поэтому фильтр преобразователя дополняют резонансным контуром LpCp с собственной частотой 2fc> через который и замыкается указанная гармоника тока.
Напряжение на тяговой обмотке трансформатора иа можно разложить в ряд Фурье и выделить основную гармонику. Амплитуда основной гармоники и i регулируется глубиной модуляции и
К _ мтах з которая равна отношению амплитуд модулмрующе-м ц ттах
го напряжения и тактирующего пилообразного напряжения, при этом г/д1 = КМЦ^ Угол сдвига ф между первыми гармониками тока / ! и напряжения мд1 регулируется изменением угла сдвига Т между напряжением модуляции им и напряжением на тяговой обмотке трансформатора ед*
Для перехода в режим рекуперативного торможения при условии, что напряжение (7^ постоянно, необходимо изменить фазу напряжения модуляции сделав его опережающим напряжение тяговой обмотки трансформатора еа. При этом изменится фаза тока ia и энергия рекуперации будет передаваться от сглаживающего фильтра к тяговой обмотке трансформатора.
Выводы
1. Переключение тяговых и тормозных режимов, а также изменение направления движения в системах управления с асинхронными тяговыми электродвигателями производится программными средствами без применения силовых электромеханических коммутационных аппаратов.
2. Тяговые характеристики электровозов с асинхронными тяговыми электродвигателями существенно выше по сравнению с электровозами с коллекторными двигателями за счет жесткости характеристик асинхронных двигателей и применения поосного регулирования,
3. Применение в силовых цепях четырехквадрантных преобразователей позволяет существенно повысить энергетические харак
теристики электровоза за счет обеспечения синусоидальной формы тока, потребляемого из сети в режимах тяги и возвращаемого при рекуперации с высоким коэффициентом мощности.
4. Успешная реализация сложных алгоритмов в сочетании с гибким адаптивным управлением полупроводниковыми преобразователями электровозов обеспечивается применением современных микропроцессорных систем управления.
Глава 6. СИСТЕМА АВТОМАТИЗИРОВАННОГО УПРАВЛЕНИЯ ТОРМОЗНОЙ СИЛОЙ ЭЛЕКТРОВОЗОВ ВЛ80Т, ВЛ80С
6.1. Силовая цепь и фу
тональная схема
! । :i 11
системы управления
Электровозы серии ВЛ80С? управляемые по системе многих единиц , оборудованы системой автоматизированного управления тормозной силой (САУТ С) в режимах электрического реостатного торможения. Электровозы, выпущенные начиная с № 2262 и позднее, оборудованы усовершенствованными серийным блоками управления БУРТ-016. Устаревшие блоки БУРТ-125, применяемые на ранее выпущенных электровозах серий ВЛ 8 ОТ и ВЛ80С, заменяются при прохождении капитального ремонта на блоки БУРТ-016 и разработанные МГУПС и проектно-конструкторским бюро ПКБЦТ модернизированные блоки БУРТ-001М.
САУТ С обеспечивает автоматическое управление следующими тормозными режимами:
— предварительное реостатное торможение с плавным нарастанием тормозной силы до 80—100 кН;
— остановочное реостатное торможение при плавном нарастании тормозной силы до заданной величины и последующей ее стабили-зациии с ограничениями по допустимым режимам;
— реостатное торможение со стабилизацией заданной скорости движения на спусках;
— замещающее пневматическое торможение при отказе электрического торможения;
— управление режимами электрического реостатного торможения при работе электровозов по системе многих единиц.
Основные элементы системы автоматического управления тормозной силой можно подразделить на шесть трупп:
— электрооборудование силовой цепи;
— контроллер машиниста электровоза (КМ-84 или КМ2);
— блок управления реостатным торможением БУРТ-016;
— выпрямительная установка возбуждения ВУВ-758;
— датчики тока якорей и тока возбуждения ДТ-039-01;
— блок измерений БИ-438.
Упрощенная схема силовой цепи и функциональная схема системы автоматизированного управления тормозными режимами электровоза ВЛ80С показана на рис. 6*1*
Электрооборудование силовой цепи. В режиме электрического реостатного торможения электрооборудования силовой цепи включены следующие устройства и аппараты:
— тяговые электродвигатели с обмотками якорей (1—4) каждой секции электровоза и обмотками возбуждения OBI—ОВ8;
— выпрямительная установка возбуждения (ВУВ), состоящая из двух тиристорных трупп VS1 и VS2, находящихся в разных секциях электровоза* Питание выпрямительной установки возбуждения с нулевой схемой выпрямления осуществляется от трех смежных выводов (7—8—02) секционированной части тяговой обмотки трансформатора Тр головной секции электровоза;
— тормозные переключатели ПКД-142 (по два аппарата в каждой секции электровоза), контактные группы 49? 50 которых обеспечивают переключение обмоток якорей и возбуждения тяговых двигателей в режим электрического реостатного торможения;
— тормозные резисторы (Rl—R4) и электропневматические контакторы 31—34 (каждой секции электровоза) для переключения ступени тормозных резисторов;
— датчики тока якорей ДТЯ1—ДТЯ4 (каждой секции электровоза) и датчик тока возбуждения ДТВ, функционирующие по принципу трансформатора постоянного тока;
— электропневматические контакторы цепи возбуждения 46, 47, подключающие ВУВ в режиме торможения к части секционированной обмотки тягового трансформатора;
— линейные контакторы 51—54 (каждой секции электровоза), замыкающие цепь якорей в режимах тяги и электрического реостатного торможения.
Тяговые электродвигатели в тормозном режиме включены по схеме независимого возбуждения* Восемь обмоток возбуждения соединены последовательно и питаются от управляемой выпрямительной установки возбуждения ВУВ* Якорная обмотка каждого элек-
Рис. 6.1. Схема силовой цепи и функциональная схема управления тормозными режимами электровоза ВЛ ЙОС: КМ-ТР — тормозная рукоятка контроллера машиниста электровоза; БУРТ-016 — блок автоматического управления тормозными режимами; Б ФИ — блок формирования импульсов; Б РФ — блок регулирования фазы; БРУ — блок ре-тающих устройств; БУТ — блок управления торможением; Б ВС — блок вычисления скорости; БИ-438 — блок из-
55 мерении; VS15 VS2 — выпрямительная установка возбуждения ТЭД
тродвигателя нагружена на индивидуальный тормозной резистор* При реостатном торможении тяговые электродвигатели работают в режиме генераторов с независимым возбуждением от управляемого выпрямителя. Энергия торможения гасится в тормозных резисторах, преобразуясь в тепловую энергию. Якорь каждого ТЭД подключен к отдельному резистору. Последовательное соединение обмоток возбуждения обеспечивает одинаковую нагрузку тяговых электродвигателей в режиме торможения.
Управляемая выпрямительная установка возбуждения ВУВ производит непосредственное регулирование тока возбуждения тяговых электродвигателей и, следовательно, тормозной силы электровоза. Регулирование тока возбуждения ТЭД осуществляется изменением углов отпирания ар тиристорных трупп VS1 и VS2. Необходимую в заданном режиме торможения величину углов отпирания ар формирует блок автоматического управления реостатным торможением БУРТ-016.
Управление режимами реостатного торможения производится посредством тормозной рукоятки контроллера машиниста КМ. На электровозах ВЛ8ОС, оснащенных блоками управления БУРТ-016, установлены контроллеры КМ-84 или КМ2, тормозные рукоятки которых имеют пять фиксированных положений (О, П, ПТ, Т, ФС).
Подготовка силовой цепи электровоза для режима торможения производится постановкой машинистом главной рукоятки контролера в нулевое положение, а тормозной рукоятки — в положение П. При этом отключаются линейные контакторы, выключающие тяговый режим, после чего подается питание в цепь управления тормозного переключателя и электропневматических контакторов для перевода силовой цепи в режим торможения. Одновременно подается питание в блок управления реостатным торможением. Сбор тормозной цепи заканчивается включением линейных контакторов 51—54.
Предварительное торможение осуществляется при переводе тормозной рукоятки из положения П в положение ПТ. В этом режиме происходит плавное нарастание в течение 3—5 с тока возбуждения и тока якорей ТЭД, создающих тормозную силу 80—100 кН.
Остановочное торможение производится при переводе тормозной рукоятки из положения ПТ в положение Т. В этом положении тормозная рукоятка имеет восемь полуфиксированных позиций, позволяющих регулировать переключателем тормозной силы
(ПТС) задаваемую тормозную силу в диапазоне от 200 до 500 кН. Тормозная сила при переводе тормозной рукоятки из положения ПТ в положение Т плавно нарастает в течение 2—3 с от 80—100 кН до заданной величины.
Режим стабилизации скорости торможения на спусках задается машинистом переводом тормозной рукоятки из положения Т в положение ФС (фиксация скорости). В этом режиме производится торможение с начально заданной тормозной силой при скорости движения электровоза, установившейся в момент перевода тормозной рукоятки в положение ФС.
Режим реостатного торможения при управлении по системе многих единиц может быть реализован только в сплотках электровозов по две или четыре секции. В этом случае обмотки возбуждения восьми тяговых электродвигателей каждой пары секций будут соединены в последовательные цепи и получат питание от выпрямительных установок возбуждения своих секций. При сцепе электровоза из трех секций реостатное торможение производится только двумя основными секциями, так как питание обмоток возбуждения ТЭД третьей секции технически не предусмотрено.
Блок управления реостатным торможением БУРТ-016 содержит регуляторы скорости и тормозной силы, которые образуют два соподчиненных контура регулирования. Внешний контур регулирования образует регулятор скорости , а основной подчиненный контур — регулятор тормозной СИЛЫ.
Регулятор тормозной силы при переводе тормозной рукоятки контроллера машиниста из положения П в положение ПТ обеспечивает плавное нарастание тормозной силы до 80—100 кН в зависимости от величины скорости начала торможения и дальнейшее подтормаживание с установившейся силой торможения, а при переводе тормозной рукоятки в положение Т — стабилизацию заданной тормозной силы в пределах 200—500 кН (как указывалось ранее).
Регулятор скорости в режиме стабилизации скорости обеспечивает торможение с заданной тормозной СИЛОЙ При скорости движения электровоза, установившейся в момент перевода тормозной рукоятки в положение ФС. Если скорость движения в этом режиме становится ниже заданной (в результате движения поезда по элементу пути с малым уклоном), регулятор скорости плавно снижает
сигнал заданной тормозной силы до минимального значения, переводя систему в режим подтормаживания с тормозной силой 80— 100 кН. Дополнительно регулятор скорости обеспечивает защиту колесно-моторных блоков от режима синхронного юза.
В диапазоне изменения скорости 60—90 км/ч действует ограничение тока якорей тяговых электродвигателей на уровне 830 А по УСЛОВИЯМ допустимой МОЩНОСТИ ТОрМОЗНЫХ реЗИСТОрОВ. При СКОРОСТИ движения ниже 60 км/ч действует ограничение по току возбуждения на уровне 1100 А. Эта величина тока допускается по условиям нагревания обмоток возбуждения тяговых электродвигателей в течение 20 мин, что достаточно для режима остановочного торможения поезда.
В системе автоматического управления тормозной силой предусмотрен ряд элементов, реализующих дополнительные функции. В частности, при снижении скорости до 35 км/ч производится переключение ступени тормозных резисторов для уменьшения сопротивления от 0,98 до 0,53 Ом при обеспечении режима стабилизации тормозной силы. В случае отказа реостатного тормоза выполняется автоматическое включение замещающего пневматического торможения локомотивным тормозом.
В системе автоматического управления использованы сигналы обратных связей:
— по току якорных обмоток от датчиков тока ДТЯ1—ДТЯ4 каждой секции;
— по току возбуждения от датчика тока ДТВ;
— по скорости движения от блока вычисления скорости.
Блок измерений БИ-438 обеспечивает электропитание датчиков тока якорей ДТЯ1—ДТЯ4 четырех тяговых электродвигателей одной секции электровоза. Устройство блока измерений БИ-438 аналогично блоку БИ-027 электровозов ВЛ65. В комплект блока измерений БИ-438 входит трансформатор питания рабочих обмоток датчиков, выпрямительные мосты и резисторы токовой нагрузки выходных сигналов датчиков. Блок измерений посредством диодной логической схемы ИЛИ-МАХ выделяет выходной сигнал датчика наиболее натруженного ТЭД, который поступает в блок управления БУРТ-016. Система автоматического управления режимами реостатного торможения электровозов ВЛ80С оснащена двумя блоками
измерений (по одному в каждой секции), подключенными к блоку управления БУРТ-016 параллельно через разделительные диоды.
бЛФу
s । :i 11
«шальная схема блока автоматического
управления реостатным торможением БУРТ-016
Блок БУРТ-016 представляет собой металлический шкаф с девятью субблоками в виде выдвижных съемных кассет со штекерными гнездами выводов контрольных точек, предназначенными для измерения сигналов при настройке и контроле исправности оборудования. Функциональная схема блока автоматического управления показана на рис. 6.2.
Блок питания автоматики БПА-101 предназначен для питания переменным напряжением 30 и 50 В цепей стабилизированных источников блоков БСП-98 и БРП-172, а также для питания напряжением 127 В измерительной цепи датчика тока возбуждения ДТВ тяговых электродвигателей (на рис* 6.2 не показан)*
Блок стабилизированного питания БСП-98 содержит стабилизированные источники двуполярного напряжения (+15)—0—(—15) В для питания цепей кассетных блоков системы автоматического управления (на рис. 6*2 не показан).
Блок управления торможением БУТ-175 формирует при положении тормозной рукоятки Т сигнал заданной тормозной силы UT в соответствии с установленной полуфиксированной позицией, подаваемый в блок решающих устройств БРУ-173* Блок БУТ-175 задает сигнал предварительного торможения при положении тормозной рукоятки ITT; в положениях Т и ФС сигнал сохраняется.
Кроме того, блок БУТ-175 содержит регулятор скорости, разрешение функционирования которого Производится ПОСТЗНОВКОЙ ТОр-мозной рукоятки в положение ФС* При снижении скорости движения регулятор скорости формирует сигнал рассогласования по скорости движения воздействующий на уменьшение сигнала заданной тормозной силы UT.
Помимо этого, блок БУТ-175 формирует сигнал разрешения переключения ступени тормозных резисторов при снижении скорости движения до 35 км/ч, подаваемый в блок переключения резисторов БПР-184.
Блок решающих устройств БРУ-173 вычисляет сигнал фактической тормозной силы (7ВТ по сглаженным сигналам датчиков то-
224
~u„
КМ-ТР
п
птс
ФС
БРУ-173
БРФ-176
* Ц
|*-ц
Ця
Ц,
ил
U<
БПР-184
utl
Ц.1
ям
а₽
ит
гДЦя
i
Е
БУТ-175
-Ц.Т ц
-ц
г* Ц
14с
и, к
Аис Ц Цо
я2
-V,
*1 д«.
Цо
Тр
02
БФИ-95
Л Ьфи1
47
ДТВ
Л Ьфи2
U,
БРП-172
Цф
ит
46-11
46-2
VS2
БВС-174
ОВ8
* Ц>|
Ц-1
БИ-438
ОВ1
• ОВ4 \50-2 .
57
ТЯ4
Я4
51
4тя
31
34
Включение контакторов 31—34
Включение пневматического тормоза
Рис. 6.2. Функциональная схема блока автоматического управления БУРТ-016: БРУ — блок решающих устройств; Б РФ — блок регулирования фазы; Б ФИ — блок формирования импульсов; КМ-ТР — тормозная рукоятка контроллера машиниста; БУТ — блок управления торможением; Б ПР — блок переключения тормозных резисторов; БРП — блок реле переключений; БВС — блок вычисления скорости; БИ-438 — блок измерений
ка якоря {7я1 и тока возбуждения {7в1, поступающих из блока БРФ-176, а также формирует регулятором тормозной силы по пропорционально-интегральному закону регулирования сигнал управления Up подаваемый в блок регулирования фазы БРФ-176. Блок БРУ-173 формирует также сигнал низкого уровня (/р разрешающий в блоке БВС-174 вычисление скорости при токах якорей ТЭД, превышающих величину 100 А. Кроме того, блок БРУ-173 формирует сигнал контролирующий в блоке БПР-184 переключение ступени тормозных резисторов при снижении скорости движения до 35 км/ч и уменьшении тормозного тока до 350 А.
Блок регулирования фазы БРФ-176 преобразует сигнал управления Uy блока БРУ-173 в сигнал фазового регулирования ар управляемого выпрямителя возбуждения ВУВ, подаваемый в блок формирования импульсов БФИ-95. Блок регулирования фазы БРФ-176 дополнительно формирует сигналы ограничения токов якорей и тока возбуждения Л17ов> которые суммируются с сигналом управления Uy^ увеличивая угол ар фазового регулирования тиристорных плеч ВУВ. Кроме того, в блоке БРФ-176 происходит сглаживание помех сигналов датчиков тока якорей и возбуждения ТЭД (7В* Отфильтрованные сигналы (7в1 подаются в блоки БРУ-173 и БВС-174.
Блок формирования импульсов БФИ-95 формирует импульсы управления f/фи] — &фи2 тиристорными группами VS1 и VS2 управляемого выпрямителя возбуждения ВУВ с фазовыми углами регулирования ар в проводящие полупериоды. В положении П тормозной рукоятки контроллера машиниста в блоке БФИ-95 создается запрет на формирование импульсов управления, исключающий появление тока в силовой цепи в процессе переключения аппаратов при сборке тормозной схемы. Запрет снимается при переводе тормозной рукоятки в положение ПТ.
Блок вычисления скорости БВС-174 выполняет вычисление сигнала скорости движения электровоза Uc по сигналам (7я1 и ?/в1 при наличии разрешающего сигнала йА низкого уровня из блока БРУ-173, который формируется при возрастании тормозного тока до 100 А.
Блок переключения резисторов БПР-184 формирует сигнал управления f/jgj для переключения ступени тормозных резисторов при снижении скорости движения до 35 км/ч, а также сигнал Цщ — для включения пневматического торможения при прекращении или от
казе электрического торможения. Кроме того, блок БПР-184 контролирует процесс возникновения синхронного юза, воздействуя сигналом юза низкого уровня на включение регулятора скорости блока БУТ-175* производящего снижение сигнала заданной тормозной СИЛЫ UT.
Блок реле переключении БРП-172 содержит комплект электромеханических реле, обеспечивающих переключение ступеней тормозных резисторов при снижении скорости торможения до 35 км/ч, а также включение пневматического торможения при отказе или прекращении электрическою торможения. Кроме тою, в блок БРП-172 входит источник стабилизированного постоянною напряжения 24 В для питания цепей электромеханических реле.
Устройство и работа основных блоков БУРТ-016
Блок питания автоматики БПА-101 содержит трансформатор с напряжением питания 380 В, а также выпрямительный мост и выходной резистор измерительной цепи датчика тока ДТВ тяговых электродвигателей. Вторичное напряжение трансформатора 30 В подается в блок стабилизированною питания БСП-98 и блок переключающих реле для стабилизированных источников питания постоянного напряжения, а вторичное напряжение 50 В — в блок регулирования фазы БРФ-95 для питания цепи фазового синхронизатора. Трансформатор блока БПА-101 также обеспечивает питание напряжением 127 В измерительной цепи датчика тока возбуждения ДТВ тяговых электродвигателей.
Блок стабилизированного питания БСП-98 содержит два стабилизированных источника постоянного напряжения +15 В и—15 В, предназначенных для питания цепей элементов системы автоматического управления. Стабилизаторы напряжения построены по схеме импульсного регулятора постоянного тока с защитой от коротких замыканий. Выходные цепи источников питания оснащены конденсаторными сглаживающими фильтрами.
Блок управления торможением БУТ-175 содержит задатчик тормозной силы и регулятор скорости. Функциональная схема блока показана на рис. 6,3* В состав блока также входят задатчик сигнала тормозной силы остановочного торможения U3T задатчик сигнала тормозной силы предварительного торможения и регулятор скорости движения*
D3.4 DI D2
(БПР) (БПР) 1 Q--- 1 <к
А6
» 177—
(в БРУ)
Л1 -А^я \от Б РФ)
(в БРУ)
4*------—
(в БПР)
О2(БФИ) D2
SW1
ПУ2
(в БПР)
Рис. 6,3, Функциональная схема блока БУГ-175
В положении П тормозной рукоятки КМ напряжение 50 В, подаваемое от контроллера в блок формирования импульсов БФИ-95 и предназначенное для запрета формирования управляющих импульсных сигналов тиристорных групп ВУВ, преобразуется в логический сигнал высокого уровня, который инвертируется модулем D3.4 блока БФИ-95, поступает в блок переключения резисторов БПР-184, где дважды инвертируется модулями DI, D2, после чего поступает в блок управления торможением БУГ-175 и подается на вход аналогового усилителя А7 в виде сигнала низкого (нулевого) уровня. При переводе тормозной рукоятки из положения П в положение ПТ блокировочный контакт П контроллера размыкается и на вход усилителя А7 поступает инвертированный сигнал высокого уровня. Усилитель А7, представляющий собой инерционное апериоди
ческое звено, формирует аналоговый задающий сигнал предварительного торможения отрицательного уровря (—Цу, нарастающий в течение 3—5 с до установившегося значения.
Задатчик тормозной силы остановочного торможения состоит из переключателя тормозной силы ПТС, цифро-аналогового преобразователя ЦАП и сумматора — усилителя аналоговых сигналов А6. Переключатель тормозной силы задает величину тормозной силы в цифровом двоичном коде напряжением уровня 50 В. Это напряжение подается через замкнутые н.з* контакты электромеханического реле КЗ блока БРП-172 на вход оптоэлектронных элементов блока БУГ-175, обеспечивающих гальваническую развязку цепей управления и блока автоматики. Преобразователь ЦАП преобразует задающие сигналы из цифрового двоичного кода в аналоговый сигнал переменного уровня. Сумматор — усилитель аналоговых сигналов А6 содержит инерционное апериодическое звено, замедляющее на 2—3 с нарастание сигнала заданной тормозной силы отрицательной величины (— CQ при переводе тормозной рукоятки из положения ПТ в положение Т
При наличии сигнала ограничения тока якорей А (7ОЯ или сигнала рассогласования регулятора скорости движения Д(7С происходит уменьшение абсолютной величины сигнала (— СТ.), приводящее к понижению заданной тормозной силы электровоза:
-и =-{U -\и -AU ). (6.1)
т 4 зт оя с
Регулятор скорости содержит инвертор А2 аналогового сигнала скорости Су элемент памяти ЭП, электронный ключ SW1, элемент сравнения аналоговых сигналов ЭСЗ, логический элемент И-НЕ D1 и инвертор логических сигналов D2.
В положении Т тормозной рукоятки контроллера машиниста и отсутствии синхронного (группового) юза тяговых электродвигателей логические сигналы и <710 на входе логического элемента И-НЕ D1 имеют высокий уровень. Логический элемент D1 и инвертор D2 формируют сигнал высокого уровня, удерживающий электронный ключ SW1 во включенном положении. Электронный ключ SW1 передает на вход элемента памяти ЭП сигнал фактической скорости движения (— CQ, подаваемый из блока вычисления скорости БВС-174, инвертируемый усилителем А2. Элемент памяти ЭП еще раз инвертирует сигнал скорости, его выходной сигнал Z7 , пода
ваемый на вход элемента сравнения ЭСЗ, будет равен сигналу фактической скорости (U3C = Uc). На второй вход элемента сравнения подается инвертированный сигнал скорости (— (7С), поэтому выходной сигнал элемента сравнения ЭСЗ будет равен нулю:
AU = -(U - и ) = 0, (6.2)
с 4 зс с'
Регулятор скорости переключается в рабочий режим поддержания неизменной скорости движения на спусках постановкой тормозной рукоятки в положение ФС* На входе логического элемента D1 формируется инвертором D2 блока БФИ-95 логический сигнал низкого уровня и > который преобразуется логическим элементом И-НЕ D1 в сигнал высокого уровня, затем инвертором D2 в сигнал низкого уровня* Выходной сигнал инвертора D2 низкого уровня снимает удерживающий сигнал с электронного ключа SW1. Электронный ключ SW1 размыкается и блокирует подачу сигнала фактической скорости движения U на вход элемента памяти ЭП* Элемент памяти фиксирует последний поданный уровень сигнала скорости, который теперь становится сигналом заданной скорости движения (7 * Элемент сравнения ЭСЗ формирует сигнал рассогласования
= U3C— Uc при снижении сигнала фактической скорости движения Uc относительно сигнала U3C заданной скорости. Инвертированный сигнал рассогласования (—Л(7С) подается в сумматор-усилитель А6 и снижает величину сигнала заданной тормозной силы UT* При возникновении синхронного юза ТЯГОВЫХ электродвигателей происходит интенсивное снижение уровня сигнала фактической скорости движения Вс* Инерционное звено элемента памяти ЭП замедляет это изменение сигнала Uc. В результате создается разность сигналов Uc и Взс на входе элемента сравнения ЭСЗ, формируя на выходе сигнал рассогласования скорости (—Л£7С). Этот сигнал передается в блок переключения резисторов БПР-184, где формируется логический сигнал низкого уровня В10 возникновения синхронного юза, передаваемый в блок БУГ-175. Сигнал рассогласования скорости (—А(7С), также как в режиме фиксации скорости, понижает уровень сигнала заданной тормозной силы (—Ир), воздействуя на регулятор тормозной силы. Переключение сигнала ^10 на низкий уровень приводит к размыканию электронного ключа SW1, отключению входного сигнала элемента памяти ЭП, усиливающего сигнал рассогласования (—А{7С), аналогично режиму фиксации скорости движения на спусках*
Дополнительно блок БУТ-175 содержит узел контроля скорости движения для формирования сигнала переключения ступени тормозных резисторов. Сигнал скорости движения после инвертирования усилителем А2 (— (7С) подается на вход порогового устройства (электронного реле) ПУ2, которое переключает выходное напряжение на низкий уровень Ц при снижении скорости движения до 35 км/ч и переключает на высокий уровень выходное напряжение (76 при повышении скорости движения до 40 км/ч*
Выходной сигнал низкого уровня U& порогового устройства ПУ2 передается в блок БПР-184 для формирования команд переключения ступени тормозных резисторов. Одновременно второй выходной сигнал высокого уровня порогового устройства ПУ2 производит посредством электронного ключа SW2 кратковременное включение электромеханического реле КЗ блока БПР-184 через замкнутые н*р* блокировочные контакты электромеханического реле К2 (реле К2 включено)* В результате сигнал заданной тормозной силы (— UT ) уменьшается до нуля, предотвращая броски тока якорей тяговых электродвигателей при переключении ступени тормозных резисторов.
Блок решающих устройств БРУ-173 содержит устройство вычисления сигнала фактической тормозной силы (7вт; устройство сравнения сигналов заданной (—) и фактической (7ВТ тормозных сил; ПИ-регулятор тормозной силы, формирующий сигнал управления Uy фазорегулятором блока БРФ-176, а также пороговое устройство формирования логического сигнала UA - Функциональная схема блока решающих устройств показана на рис* 6.4*
Устройство вычисления сигнала фактической тормозной силы состоит из инвертора А1, функционального преобразователя ФП1, инвертора А4, генератора пилообразного напряжения G2, широтноимпульсного модулятора ШИМ2, электронного ключа SW2, сглаживающего фильтра ФЗ* Совмещенная диаграмма сигналов показана на рис* 6.5*
Тормозная сила Д создаваемая тяговым электродвигателем, пропорциональна произведению тока якоря 1Я и магнитного потока электродвигателя СФ
/?-3.б'сФ (6,3)
Т| Я
где т] — КПД ТЭД и зубчатой передачи в тормозном режиме.
КЦБПР)
Рис. 6.5. Совмещенная диаграмма вычисления сигнала тормозной силы блока БРУ-173
В блоке БРУ-173 для вычисления сигнала фактической тормозной силы (7ВТ перемножаются сглаженные сигналы датчиков тока якоря и тока возбуждения ?7 р передаваемые из блока регулирования фазы БФУ-95. Перемножение сигналов производится временно-импульсным методом посредством электронного ключа SW2? управляемого широтно-импульсным модулятором ШИМ2.
Функциональным преобразователем ФП1 производится преобразование сглаженного сигнала датчика тока возбуждения (7в1 в сигнал Рфп> воспроизводящий характеристику намагничивания тягового электродвигателя СФ = /(/в) тремя линейными отрезками. Аналоговый инвертор А4 инвертирует напряжение функционального преобразователя ФПГ
Широтно-импульсным модулятором ШИМ2 производится сравнение выходного напряжения функционального преобразователя &фп с пилообразным напряжением (7^ генератора G2 и формирование в момент их равенства инвертированных прямоугольных знакопеременных сигналов
Длительность /п положительных импульсов {7^ модулятора пропорциональна уровню напряжения функционального преобразова-теля 6фп v
t = (6.4)
п и пл
где т — период модуляции (повторения) пилообразного напряжения Е^п.
Электронный ключ SW2 замыкается на интервалах положительных импульсов подавая на вход сглаживающего фильтра ФЗ прямоугольные импульсы напряжения (— С^) инверторного усилителя А1. Выходное напряжение (7Т низкочастотного фильтра ФЗ, равное среднему за период т значению прямоугольного импульса пропорционально произведению напряжения и длительности /п положительных импульсов ПШрОТНО-ИМПуЛЬСНОГО МОДу-лятора ШИМ2:
U =U J , (6.5)
ВТ я1 п
или произведению сигналов и (7фп:
и ~К —и XJ. , (6.6)
ВТ М JJ я1 фп?
ипл
где — коэффициент пропорциональности модуляции сигналов.
Следовательно, сигнал (7ВТ является сигналом фактической тормозной силы В.
Инвертированный сигнал датчика тока в виде сигнала (— С^2) передается в блок переключения резисторов БПР-176 для контро
ля уровня тока якорей тяговых электродвигателей при переключении ступени тормозных резисторов.
Элемент сравнения ЭС4 производит сложение сигналов (— UT) и (— с сигналом UBT> формируя сигнал рассогласования Последний преобразуется ПИ-регулятором тормозной силы в сигнал управления и? фазорегулятором, который передается в блок БРФ-176.
Пороговое устройство (электронное реле) ПУ1 формирует на выходе логический сигнал низкого уровня, если ток якорей тяговых электродвигателей превышает величину 100 А, задаваемую опорным сигналом (7ОТ1* Этот сигнал низкого уровня дает разрешение на вычисление сигнала скорости (7С в блоке ВВС-174. Кроме того, пороговое устройство ПУ1 производит включение электромеханического реле К1 блока БРП-172 посредством электронного ключа SW1, когда ток якорей тяговых электродвигателей превысит 100 А. Реле К1 блокирует включение замещающего пневматического локомотивного тормоза.
Блок регулирования фазы БРФ-176 содержит фазорегулятор ФР, а также устройство формирования сигнала ограничения токов якорей А{7ОЯ и сигнала ограничения тока возбуждения А17ов тяговых электродвигателей. Кроме того, блок БРФ-176 содержит сглаживающие фильтры Ф1, Ф2 выходного напряжения датчиков тока якорей и возбуждения тяговых электродвигателей. Функциональная схема блока регулирования фазы показана на рис. 6*6.
Фазорегулятор блока БРФ-176 состоит из синхронизатора СХ, генератора пилообразного напряжения G1, широтно-импульсного
Uy (ат БРУ)
Um (от БИ) и*(в БР^,L Диод (в БХ7>
14, (в БРУ) 1— «---------
ЭС1 Ди
°Х10
---- А5
ЭС2 т^-
<5X7
А4
ов
(от БСП)
Рис. 6,6, Функциональная схема блока БРФ-176
модулятора ШИМ1. Совмещенная диаграмма сигналов фазорегулятора и напряжения управляемого выпрямителя возбуждения UBy показана на рис* 6.7*
Генератор G1 формирует сигналы пилообразной формы с частотой 100 Гц? синхронизированные с напряжением питания управляемого выпрямителя посредством согласующего синусоидального напряжения -17с*
Синхронизация осуществляется сбросом амплитуды пилообразного напряжения устройством синхронизации при нулевой фазе согласующего напряжения подаваемого от блока питания автоматики БПА-101. Питание блока БПА-101 осуществляется от вспомогательной обмотки тягового трансформатора, фаза напряжения которой в тормозном режиме практически совпадает с фазой напряжения питания управляемого выпрямителя возбуждения.
Формирование выход ных импульсов фазорегулятора _п_ (7фр с фазовым углом dp производится в момент достижения мгновенного значения пилообразного напряжения уровня сигнала регулирования фазы (7р* Характеристика фазорегулятора ар линейна.
Выходные импульсные сигналы фазорегулятора передаются в блок формирования импульсов БФИ-95 с фазовыми углами ар*
Фильтры Ф1, Ф2 блока регулирования фазы производят сглаживание пульсации выходных сигналов датчиков тока якоря и тока возбуждения ТЭД (7В* Отфильтрованные сигналы подаются в блоки БРУ-173 и БВС-174.
Рис. 6,7, Совмещенная диаграмма преобразования сигналов блока БРФ-176
Устройства формирования сигналов ограничений токов якорей и тока возбуждения тяговых электродвигателей состоят из элементов сравнения ЭС1, ЭС2, сравнивающих сглаженные сигналы датчиков тока 1^1» *41 с постоянными уровнями ограничений С^в* Сигналы ограничений (—А17^ ) и (—Af7OB ) формируются элементами сравнения ЭС1, ЭС2 при достижении током якоря величины 830 А, током возбуждения — величины 1100 А. Эти сигналы инвертируются усилителями АЗ, А5 и суммируются операционным усилителем А4 с сигналом управления подаваемым из блока решающих устройств, формируя сигнал регулирования фазы:
U =U +AU + AIZ . (6,7)
р у оя ов
Выходной сигнал сумматора А4 Up преобразуется фазорегулятором ФР в фазовый импульсный сигнал -И-^фр* Сигналы ограничений А {7^, А(7ОВ увеличивают фазовый угол ctp, уменьшая среднее значение напряжения управляемого выпрямителя и ограничивая таким образом ток возбуждения и токи якорей тяговых электродвигателей.
Инверсный сигнал ограничения тока якорей тяговых электродвигателей (—А(7ОЯ) передается, кроме того, в блок управления торможением БУТ-175, где он уменьшает сигнал заданной тормозной силы.
Блок формирования импульсов БФИ-95 содержит устройство распределения импульсных сигналов _П_ (7фр блока регулирования фазы БРФ-176 по полупериодам, формирователи импульсов и устройство запрета, блокирующее формирование импульсов при сборке силовой цепи для торможения (положение П тормозной рукоятки КМ). Функциональная схема блока показана на рис. 6.8.
Рис. 6,8, Функциональная схема блока БФИ-95
ФИ1
ТХ6 ^фИ) 4 я--------
(kVS1> lx?
Х9 Ц (в БПР)
Устройство распределения импульсных сигналов -П-^фр состоит из синхронизатора СХ? релейных элементов А23 АЗ и формирователей импульсов ФИ13 ФИ2.
Устройство запрета состоит из инвертора D3.1, согласующего оптоэлектронного элемента D1, преобразующего напряжения управления контроллера машиниста в логический инвертированный сигнал, и логических перемножителей сигналов D3.2? D3*3* Совмещенная диаграмма сигналов элементов блока формирования импульсов показана на рис. 6*9*
Устройство синхронизации СХ формирует знакопеременные сигналы [7СХ трапециевидной формы и преобразует их в логические сигналы высокого уровня, совпадающие по фазе с синхронизирующим напряжением -17с* Инвертор D3.1 формирует сигнал высокого уровня на интервале четной полуволны напряжения ~[Г* Логические перемножители D3,23 D3.3 формируют сигналы, чередующиеся по полупериодам изменения напряжения синхронизации С^х* Выходные сигналы логических перемножителей переключают поочередно релейные элементы А23 АЗ в состояние подготов-
Положение КМ-П; Положение КМ-П, Т, ФС
Рис. 6,9, Совмещенная диаграмма преобразования сигналов БФИ-95
ки. Инвертор D3.4 формирует (в положении П тормозной рукоятки КМ) сигнал запрета низкого уровня, удерживающий на выходах логических перемножителей D3*2, D3.3 постоянные сигналы высокого уровня. Эти сигналы удерживают релейные элементы А23 АЗ в состоянии подготовки, препятствуя их переключению импульсами напряжения -П- {7фр блока регулирования фазы.
При переводе тормозной рукоятки КМ из положения П В ПТ снимаются постоянные сигналы запрета высокого уровня с прямых входов релейных элементов А2, АЗ. Релейные элементы А23 АЗ при отсутствии сигнала запрета будут переключаться на интервалах пауз выходных сигналов логических перемножителей D3.2, D3.3 импульсами -п_{7фр3 подаваемыми на инверсные входы релейных элементов А23 АЗ.
Формирователи импульсов ФИ1, ФИ2 преобразуют передний фронт выходных сигналов релейных элементов А2? АЗ в импульсы управления тиристорными группами VS1, VS2 управляемого выпрямителя возбуждения тяговых электродвигателей.
В положении тормозной рукоятки ПТ И Т ВЫХОДНОЙ сигнал Z7-J высокого уровня согласующего оптоэлектронного преобразователя D1 передается в блок БПР-184 и из него в блок БУТ-175 в виде сигнала разрешающего формирование сигнала предварительного торможения (—
Блок вычисления скорости БВС-174 содержит устройство вычисления сигнала скорости движения Uc. Функциональная схема блока вычисления скорости показана на рис. 6.10.
Блок содержит фильтры Ф4 и Ф53 сглаживающие помехи сигналов и (7 р функциональный преобразователь ФП23 амплитудно-импульсный модулятор АИМ, широтно-импульсный модулятор ШИМ33 электронный ключ SW3, выходной сглаживающий фильтр Ф6. Совмещенная диаграмма сигналов блока вычисления скорости показана на рис, 6.11*
Скорость движения можно определить из уравнения равновесия напряжений в цепи якоря тягового электродвигателя для режима реостатного торможения:
I (R + R ) я4 т я7
(6.8)
(от БРУ)
Рис. 6,10. Функциональная схема блока БВС-174
Рис. 6.11. Совмещенная диаграмма вычисления сигнала скорости БВС-174
Для вычисления сигнала скорости движения Uc в блоке БВС-174 напряжение датчика тока возбуждения UB^ преобразуется функциональным преобразователем ФП2 в сигнал воспроизводящий характеристику намагничивания тяговою электродвигателя, аналогично функциональному преобразователю ФП1 блока решающих устройств БРУ-173,
Выходное напряжение функционального преобразователя 17фп подается в амплитудно-импульсный модулятор АИМ, посредством которого оно преобразуется в знакопеременное напряжение треугольной формы с амплитудой (7^, Модулятор АИМ работает в режиме автоколебаний, поэтому амплитуда выходною напряжения Г7ам пропорциональна уровню ВХОДНОГО напряжения (7фп,
Широтно-импульсный модулятор ШИМЗ сравнивает переменное напряжение амплитудною модулятора с напряжением датчика
тока якоря тягового электродвигателя и формирует на выходе знакопеременные сигналы прямоугольной формы UmM.
Выходные сигналы положительного уровня широтно-импульсного модулятора замыкают электронный ключ SW3. Длительность ?и положительных импульсов выходного напряжения широтно-импульсного модулятора ШИМЗ определяется выражением
U
t (6.9)
и 2(7 ам
Электронный ключ SW3 подает на вход сглаживающего фильтра Ф6 прямоугольные импульсы напряжения длительность которых равна длительности /0 отрицательных импульсов модулятора ШИМЗ. Выходное напряжение сглаживающего фильтра Ф6 равно среднему значению импульсов напряжения, формируемых электронным ключом SW3. Следовательно, выходное напряжение фильтра Ф6, являющееся сигналом скорости движения {7С, пропорционально напряжению и обратно пропорционально напряжению функционального преобразователя ?7фп:
U л I (R +R)
U =и я1 м = я т________(6*10)
с 0 2U СФ ам
При токе якорей тяговых электродвигателей меньше 100 А в блоке БРУ-173 формируется сигнал высокого уровня. Этот сигнал блокирует работу модулятора ШИМЗ, На выходе последнего формируется сигнал низкого уровня, при котором электронный ключ SW3 находится в разомкнутом состоянии и, следовательно, сигнал скорости (7С равен нулю.
Блок переключения резисторов БПР-184 содержит устройство переключения ступеней тормозных резисторов, устройство контроля функционирования электрического реостатного тормоза и устройство защиты тяговых электродвигателей от синхронного юза. Он также осуществляет контроль функционирования электрического реостатного тормоза: в случае отказа или несрабатывания системы управления торможением в блоке вырабатывается команда на включение пневматического локомотивного тормоза*
Блок БПР-184 формирует команду на переключение ступени сопротивления тормозных резисторов (в рабочем режиме при номинальной токовой нагрузке) С 0,98 на 0,53 Ом при снижении
скорости движения до 35 км/ч и уменьшении тормозного тока тяговых электродвигателей до 350 А. В случае повышения скорости движения на спуске до 40 км/ч блок БПР-184 выдает команду на обратное переключение сопротивлений тормозных резисторов с 0,53 на 0,98 Ом,
Блок переключения ступеней тормозных резисторов БПР-184 состоит из следующих функциональных узлов: усилителя — ограничителя сигнала А4, порогового устройства ПУЗ, электронного ключа SW3, дифференцирующего элемента D4, компаратора А6, аналогового таймера А7, логического элемента D3 и инверторов D1, D2. Функциональная схема блока БПР-184 показана на рис, 6*12.
Усилитель — ограничитель сигнала контроля величины тока якорей тяговых электродвигателей А4 представляет собой операционный усилитель с инвертированным усилением и ограничением ВЫХОДНОГО напряжения. На его вход подается инвертированный сигнал (—^2) датчика тока якоря тягового электродвигателя из блока БРУ-173, Пороговое устройство ПУЗ переключает свой выходной сигнал на низкий уровень, когда ток якорей тяговых электродвигателей снизится до 350 А. Разрешение переключения ПУЗ производится сигналом U& низкого уровня, формируемым в блоке БУТ-175 при снижении скорости движения до 35 км/ч. Сигналом низ
D1 D2
(от БУТ-175) А4
(от БРУ-173) L_
кого уровня порогового устройства ПУЗ производится выключение реле К2 посредством электронного ключа SW3. Н*з. контакты блокировки реле К2 замыкают цепь питания промежуточного реле ПР блока БРП-172, которое при включении подает питание на катушки пневматических вентилей силовых контакторов 31—34, закорачивающих часть элементов тормозных резисторов (рис* 6*13)*
Переключение ступени сопротивлений тормозных резисторов производится в два этапа. Вначале, при снижении скорости движения до 35 км/ч, пороговое устройство ПУ2 блока БУТ-175 включает реле КЗ посредством электронного ключа SW2 и замкнутых н*р. блокировочных контактов реле К2 (реле К2 включено)* В результате размыкания н.з. блокировочных контактов реле КЗ выходное напряжение U3T цифро-аналогового преобразователя задатчика тормозной силы блока БУТ-175 становится равным нулю. Ток возбуждения и токи якорей тяговых электродвигателей будут интенсивно уменьшаться*
Одновременно пороговым устройством ПУ2 блока БУТ-175 формируется сигнал низкого уровня, разрешающий переключение ступени тормозных резисторов*
Рис. 6,13, Схема электрических цепей блока БРП-172
При снижении тормозного тока до 350 А происходит срабатывание порогового устройства ПУЗ блока БПР-184 и отключение посредством электронного ключа SW3 реле К2. Замыкаемые н.з. блокировочные контакты реле К2 подают питание в цепь промежуточного реле ПР блока БРП-172, посредством которого производится включение силовых контакторов 31—34. Одновременно при отключении реле К2 размыкаются его н.р. блокировочные контакты в цепи реле КЗ, которое также отключается. В результате восстанавливается (через н.з. блокировочные контакты реле КЗ) подача напряжения от переключателя тормозной силы ПТС в цифро-аналоговый преобразователь задатчика тормозной силы блока БУГ-175. Выходной сигнал задатчика (7ЗТ плавно нарастает до уровня заданной тормозной СИЛЫ.
В случае повышения скорости до 40 км/ч в режиме реостатного торможения при движении на спуске пороговое ПУ2 блока БУТ-175 переключает напряжение на высокий уровень. Этим напряжением переключается выходное напряжение порогового устройства ПУЗ блока БПР-174 на высокий уровень. Управляемый им электронный ключ SW3 включает реле К2. В результате размыкаются его н.з. блокировочные контакты в цепи промежуточного реле ПР, посредством которого отключаются силовые контакторы 31—34, увеличивая сопротивление тормозных резисторов от 0*53 до 0,98 Ом.
Узел защиты от синхронного юза состоит из дифференцирующего устройства D4, компаратора Аб, аналогового таймера А7 и выходного логического модуля D3. При возникновении синхронного юза колесно-моторных блоков формируется на выходе элемента сравнения ЭСЗ регулятора скорости блока БУТ-175 сигнал рассогласования (—Д(7С). Этот сигнал дифференцируется элементом D4 блока БПР-184 и переключает компаратор А6 при превышении порога, установленного опорным напряжением Выходной сигнал компаратора А6 высокого уровня включает аналоговый таймер А7 и одновременно переключает логический элемент D3 на низкий уровень, формируя сигнал юза ?Z Аналоговый таймер А7, формируя при срабатывании на выходе сигнал высокого уровня, будет удерживать на выходе D3 в течение нескольких секунд сигнал юза низкого уровня JZ пока не восстановится сцепление юзую-щих колесных пар. Сигнал низкого уровня переводит регулятор скорости блока БУТ-175 в рабочий режим, приводящий к сни
жению сигнала заданной тормозной силы (— [f) и к восстановлению сцепления. При прекращении юза компаратор А6 и таймер А7 возвращаются в исходное состояние, переключая на высокий уровень сигнал fTjos посредством которого выключается из работы регулятор скорости блока БУТ-175,
Блок реле переключений БРИ-172 содержит электромеханические реле KI, К2, КЗ, ПР, РВ, обеспечивающие дискретные переключения сигналов контроля тормозных режимов. Схема электрических цепей блока показана на рис. 6*13.
Посредством реле К1 осуществляется контроль работы реостатного тормоза* Реле К1 включается выходным напряжением порогового устройства ПУ2 блока БРУ-173, когда тормозной ток тяговых электродвигателей становится больше 100 А, размыкая н*з* блокировочные контакты цепи включения воздухораспределителя пневматического локомотивного тормоза. Катушка реле времени РВ обесточивается при переводе тормозной рукоятки КМ из положения П в положение ПТ или Т* На интервале времени 3—4 с задержки отключения реле РВ н*з* блокировочные контакты реле РВ удерживаются в разомкнутом состоянии, обеспечивая блокирование включения пневматического торможения на время нарастания тока якорей тяговых электродвигателей до контрольного уровня 100 А
Посредством реле К2, управляемого пороговым устройством ПУЗ блока БПР-174, и промежуточного реле РП производится включение силовых контакторов 31—34, переключающих ступень сопротивления тормозных резисторов с 0,98 на 0,53 Ом.
Посредством реле КЗ производится кратковременное отключение аналого-цифрового преобразователя АЦП задатчика тормозной силы блока БУТ-175 от переключателя тормозной силы ПГС для уменьшения тока возбуждения и соответственно уменьшения бросков тока в якорях тяговых электродвигателей при переключении ступени сопротивления тормозных резисторов с 0,98 на 0,53 Ом.
Выводы
1. Перевод силовой цепи из режима тяги в режим электрического реостатного торможения электровоза производится оперативно при минимальных переключениях органов управления контроллера машиниста*
2. При работе электровоза сцепом из трех секции электрическое реостатное торможение возможно только двумя основными секциями вследствие особенностей формирования цепи возбуждения тяговых электродвигателей.
3. Система автоматического управления тормозными режимами производит стабилизацию тормозной силы электровоза и скорости движения на спусках, обеспечивая ограничение допустимых величин токов и защиту от синхронного юза тяговых электродвигателей.
Глава 7. СИСТЕМА АВТОМАТИЗИРОВАННОГО
УПРАВЛЕНИЯ ТЯГОВЫМИ И ТОРМОЗНЫМИ
РЕЖИМАМИ ЭЛЕКТРОПОЕЗДОВ ЭТ2, ЭТ2М, ЭД4М
7Л. Общие сведения о системе автоматизированного управления электропоездом
Электропоезда постоянного тока серий ЭР2Т, ЭТ2, ЭТ2М, ЭД4М имеют однотипные электрические схемы с одноступенчатым реостатным пуском и рекуперативно-реостатным электродинамическим торможением.
Электропоезда серий ЭР2Т, ЭТ2 оснащены электрооборудованием Рижского электромашиностроительного завода; на электропоездах серии ЭТ2М* ЭД4М установлено электрооборудование других производителей, что привело к некоторым изменениям в низковольтных цепях управления, в то время как алгоритмы управления сохранены без изменений.
Система управления электропоездов обеспечивает:
— автоматический пуск (разгон) электропоезда при последовательном возбуждении тяговых электродвигателей от момента троганья с места до максимальной скорости под контролем блока регулятора ускорения БРУ;
— рекуперативное торможение с независимым возбуждением тяговых электродвигателей от максимальной скорости начала торможения до скорости 45—50 км/ч под контролем блока управления торможением БУТ (системы автоматического управления торможением САУТ);
— автоматический переход на реостатное замещающее торможение с независимым возбуждением тяговых электродвигателей при частичном или полном отключении потребителя рекуперируемой энергии и повышении напряжения в контактной сети более 3950 В;
— реостатное замещающее торможение с независимым возбуждением тяговых электродвигателей от максимальной скорости начала торможения до скорости 45—50 км/ч под контролем блока управления торможением БУТ (САУТ);
— реостатное торможение с последовательным возбуждением тяговых электродвигателей от скорости 45—50 км/ч до скорости 10— 15 км/ч под контролем блока регулятора ускорения БРУ;
— изменение интенсивности разгона и торможения из кабины машиниста посредством переключателя понижения уставок;
— автоматическое дотормаживание электропневматическим тормозом от скорости 10—15 км/ч до полной остановки;
— автоматическое замещение электропневматическим тормозом электродинамического тормоза при его отказе в данной секции;
— комбинированное торможение электродинамическим тормозом моторных вагонов и электропневматическим тормозом прицепных вагонов.
Управление тяговыми и тормозными режимами производится посредством контроллера машиниста КМ, рукоятка которого имеет маневровое положение М, четыре ходовых положений, нейтральное положение 0 и пять тормозных положений IT—5Т:
— М — троганье с места и движение со скоростью около 5 км/ч;
— ХОД 1 — реостатный пуск под контролем блока регулятора ускорения БРУ с заданной уставкой пускового тока;
— ХОД 2 — включение 1-й и 2-й ступеней ослабления возбуждения тяговых электродвигателей под контролем блока БРУ;
— ХОД 3 — включение 3-й и 4-й ступеней ослабления возбуждения тяговых электродвигателей под контролем блока БРУ;
— ХОД 4 — включение 5-й и 6-й ступеней ослабления возбуждения тяговых электродвигателей под контролем блока БРУ;
— 0 — нейтральное положение-переключение силовой цепи в режим торможения;
— 1Т — сбор тормозной схемы электрического торможения при минимальной уставке блока управления торможением БУТ(САУТ) или 100А;
— 2Т — электрическое торможение с пониженной уставкой блока БУТ 250 А;
— ЗТ — электрическое торможение с нормальной уставкой блока БУТ 350 А;
— 4Т — комбинированное торможение* На моторных вагонах действует электрический тормоз с нормальной уставкой, а на прицепных срабатывает элекгропневмагический тормоз;
— 5Т — по всему поезду подается питание на тормозные вентили электропневматических воздухораспределителей, вследствие че-246
го срабатывает электропневматическии тормоз. Положение 5Т применяется при отказе электродинамического тормоза и при управлении элекгропневматическим тормозом контроллером машиниста.
Автоматическое управление режимами пуска, электрического рекуперативно-реостатного торможения, эле ктропн ев магического торможения, энергообеспечение собственных нужд системы управления выполняют блоки бортовой автоматики БРУ, БУТ, БУВЗТ (БУКЗ), БУП, БРЧ, ДУКС.
Блок регулятора ускорения БРУ управляет работой реостатного контроллера при автоматическом пуске и торможении после перехода силовой цепи в режим реостатного торможения с последовательным возбуждением тяговых электродвигателей в соответствии с заданной посредством переключателя понижения уставок В400 (ЗРУ0-50) интенсивностью процесса пуска и электрического торможения.
Блок управления торможением БУТ обеспечивает стабилизацию тока цепи якорей тяговых электродвигателей при электродинамическом торможении с независимым возбуждением посредством фазового регулирования углов управления тиристорами преобразователя цепи возбуждения. Величина задаваемых уставок тормозного тока тяговых электродвигателей устанавливается тормозным положением контроллера машиниста КМ (1Т—ЗТ)*
Блок управления выключателем защиты тормоза БУВЗТ (блок управления контактором защиты БУКЗ) осуществляет защиту силовых цепей, подавая сигнал на отключение быстродействующего выключателя защиты тормозных цепей ВЗТ (КЗ) в случае возникновения утечек токов, перегрузок ПО току и коротких замыканий В цепи тяговых электродвигателей при рекуперативном торможении. Уставка ВЗТ на отключение составляет 600 А.
Блок управления преобразователем БУП обеспечивает пуск преобразователя и основного компрессора, а также заряд батарей. Он контролирует выходное напряжение генератора и отключает преобразователь при возникновении аварийных режимов, подавая электропитание на катушку реле защиты преобразователя (РЗП-З). Уставка защиты преобразователя по высокому напряжению составляет 4000 В, по напряжению генератора — 250 В.
Блок регулирования частоты БРЧ контролирует частоту вращения вала преобразователя и, следовательно, выходную частоту генератора управления, поддерживая частоту в пределах от 47 до 52 Гц.
Блок управления противоюзо-противобуксовочным устройством (дискретное устройство контроля скорости ДУКС установлено на некоторых сериях электропоездов) следит за частотой вращения колесных пар. При возникновении разницы частоты вращения отдельных колесных пар на конкретном вагоне более 10 % уменьшает силу тяги или торможения (в зависимости от режима ведения поезда).
Аппараты и устройства защиты обеспечивают защиту силовых цепей электропоезда от:
— перенапряжений в контактной сети, для чего в схеме предусмотрены униполярные вилитовые разрядники;
— радиопомех, вызванных искрением на токоприемнике, коммутацией тяговых двигателей, а также аппаратов силовой цепи; подавление радиопомех производится высокочастотным индуктивноемкостным фильтром;
— токов короткого замыкания, перегрузки и токов утечек в силовой цепи и цепях вспомогательных машин; в тяговых режимах защита силовых цепей от аварийных перегрузок осуществляется быстродействующим выключателем БВ, в режимах рекуперативнореостатного торможения — быстродействующим выключателем защиты БВЗТ (КЗ);
— сбора силовой цепи при отсутствии напряжения в контактной сети;
— боксования, разносного боксования, юза, заклинивания колесных пар; защита осуществляется посредством действия релейных элементов (реле боксования РБ, ДУКС), понижающих уставку тормозного тока.
7<2« Работа силовой схемы и системы управления в тяговом и тормозном режимах
Маневровый режим (положение М контроллера машиниста). Упрощенная принципиальная схема силовых цепей моторного вагона электропоезда представлена на рис. 7.1. В этом режиме замкнуты контакторы тормозного кулачкового переключателя с четными номерами (на схеме контакторы тормозного кулачкового переключателя показаны замкнутыми в тормозном положении). Обмотки возбуждения тяговых электродвигателей (OBI—ОВ4) соединены последовательно с якорями (1—4).
Рис. 7.1. Упрощенная принципиальная схема силовых цепей моторного вагона: Ш, ОВ — индивидуальные силовые контакторы; ТП1—ТП8 — силовые кулачковые контакторы тормозного переключателя; РК1—РК16 силовые кулачковые контакторы реостатного контроллера; БВ — быстродействующий выключатель; ЛК, Л КТ — линейные контакторы; VD1 — блок диодов рекуперации; ДТЯ, ДТЯ1, ДТВ — датчики тока якорей и возбуждения ТЭД; КЗ — бысгродейству-kj ющий контактор защиты; БРУ — блок регулировки уставок; БУТ (САУТ) — блок управления торможением; РСВ — реле режима салю возбуждения; РМН — реле максимального напряжения; Т — контактор реостатного торможения
Включены линейные контакторы ЛК и Л КТ, Реостатный контроллер РК установлен на 1-й позиции. Ток тяговых электродвигателей ограничивается полностью введенными сопротивлениями пусковых резисторов R2—R8.
Реостатный пуск ТЭД (положение контроллера машиниста ХОД 1). Цепь протекания тока пускового режима соответствует цепи маневрового режима. Переключение ступеней пусковых резисторов производится реостатным контроллером РК, управляемым блоком БРУ с контролем заданного тока якорей тяговых электродвигателей. Вывод пускотормозных резисторов заканчивается на 14-й позиции реостатного котроллера замыканием силового кулачкового контактора РК9.
Регулирование возбуждения ТЭД (положения контроллера машиниста ХОД 2—ХОД 4). Цепь протекания тока от токоприемника по обмоткам якорей аналогична законченному пусковому режиму. После датчика тока якорей (ДТЯ1) цепь протекания тока разветвляется: ток возбуждения ТЭД протекает через кулачковый контактор ТП6? обмотки возбуждения ОВ1—ОВ4? датчик тока возбуждения (ДТВ)? заземляющее устройство, а шунтированная часть тока якорей — через индуктивный шунт ИШ, кулачковый контактор ТП4, контактор Ш, кулачковые контакторы РК10—РК15, резисторы шунтиров-ки обмоток возбуждения R10—R15, заземляющее устройство. Переключение ступеней ослабления возбуждения производится реостатным контроллером РК, управляемым блоком БРУ с контролем заданного тока якорей тяговых электродвигателей.
Электрическое торможение электропоезда реализуется четырьмя независимыми тормозными режимами, плавно переходящими один в другой:
— рекуперативное торможение от максимальной скорости до скорости 45—50 км/ч при независимом возбуждении тяговых электродвигателей со стабилизацией тормозного тока под контролем блока автоматического управления торможением БУТ (САУТ). Блок БУТ управляет трехфазным тиристорным мостовым выпрямителем VS1—VS6, который по мере снижения скорости поезда плавно повышает величину тока в обмотках возбуждения тяговых электродвигателей от нуля до максимума (230 А)3 поддерживая неизменным ток якорей ТЭД;
— реостатное замещающее торможение с независимым возбуждением от максимальной скорости до скорости 45—50 км/ч при независимом возбуждении тяговых электродвигателей со стабилизацией тормозного тока под контролем блока БУТ;
— реостатное торможение при последовательном возбуждении тяговых электродвигателей от скорости 45—50 до 10—15 км/ч со стабилизацией тормозного тока под контролем блока БРУ;
— автоматическое дотормаживание электропневматическим тормозом от скорости 10—15 км/ч до полной остановки.
Рекуперативное и реостатное замещающее торможение с независимым возбуждением тяговых электродвигателей. Переключение силовой схемы в режим рекуперативного торможения производится при постановке контроллера машиниста в нейтральное положение 0. Тормозной переключатель ТП переходит в положение ТОРМОЗ, в котором замкнуты все нечетные кулачковые контакторы, кроме ТП9; размыкающийся кулачковый контактор ТП6 отсоединяет обмотки возбуждения от якорей ТЭД.
При постановке контроллера машиниста в тормозное положение КМ (IT—4Т) замыкается индивидуальный силовой контактор ОБ, подключающий обмотки возбуждения ОВ1—ОВ4 к управляемому тиристорному преобразователю VS1—VS6. Затем включается трехфазный контактор КВ и подает напряжение на тиристорный преобразователь возбуждения через трансформатор возбуждения ТрВ. Сбор тормозной схемы заканчивается включением контакторов Л КТ, Ш, ЛК Тормозной ток будет протекать от заземляющего устройства через включенный быстродействующий контактор защиты БВЗТ (КЗ), кулачковый контактор ТП7, индуктивный шунт ИШ, датчики тока якорей ДТЯ1, ДТЯ, обмотки якорей ТЭД (4—1), линейный контактор Л КТ, кулачковый контактор ТП1, блок диодов рекуперации VD1, линейный контактор ЛК, быстродействующий выключатель БВ в контактную сеть к потребителю электроэнергии (электровоз или электропоезд попутного следования).
Переключение силовой цепи на режим реостатного замещающего торможения происходит в результате частичного или полного отключения потребителя рекуперируемой энергии и повышения напряжения в контактной сети более 3950 В и выполняется с помощью реле максимального напряжения РМН, которое подает команду на включение контактора реостатного торможения Т,
Контактор Т замыкает цепь якорей тяговых электродвигателей через тормозные резисторы R8—R2 и резисторы регулирования возбуждения Rll—R15. Линейный контактор ЛК при этом остается включенным, в результате образуется два контура протекания тока якорей ТЭД* Ток большей величины (около 300 А) будет протекать по созданному контуру от заземляющего устройства через включенный быстродействующий контактор КЗ, кулачковый контактор ТП7, индуктивный шунт ИНГ датчики тока якорей ДТЯ1, ДТЯ, обмотки якорей ТЭД (4—1), линейный контактор ЛКТ, пускотормозные резисторы R8—R2, контактор реостатного торможения Т, резисторы Rll—R15, а ток меньшей величины (около 50 А) — по контуру рекуперации* Распределение токов по контурам будет зависеть от мощности и количества параллельных потребителей в контактной сети данного участка*
Реостатное торможение с последовательном возбуждении тяговых электродвигателей. По мере снижения скорости поезда ток в цепи независимого возбуждения достигает ограничения 230 А. При этом токе блок БУТ (САУТ) включает посредством реле самовозбуждения РСВ в работу блок регулятора ускорения БРУ, которым производится управление реостатным контроллером в тормозном режиме. Реостатный контроллер переключается на 2-ю позицию и переводит схему силовой цепи в режим реостатного торможения с последовательным возбуждением ТЭД. Тормозной ток тяговых электродвигателей протекает по цепи от заземляющего устройства через включенный быстродействующий контактор КЗ, кулачковый контактор ТП7, кулачковый контактор РК17 (замыкается на 2-й позиции реостатного контроллера и закорачивает индуктивный шунт ИШ), датчики тока якорей ДТЯ1, ДТЯ, обмотки якорей ТЭД (4—1), линейный контактор ЛКТ, пуско-тормозные резисторы R8—R2, контактор реостатного торможения Т, кулачковый контактор ТПЗ, контактор Ш, кулачковые контакторы РК16 (замыкаются на 2-й позиции реостатного контроллера) и 1115, обмотки возбуждения ТЭД OBI—ОВ4* Параллельно обмоткам возбуждения ТЭД OBI—ОВ4 создается второй контур для части тормозного тока от кулачкового контактора ТПЗ через резисторы Rll—R15, создающий постоянное ослабление возбуждения с коэффициентом регулирования возбуждения 59,5 %* Такой режим обеспечивает плавный переход от рекуперативного торможения с нормальной уставкой
тормозного тока и током возбуждения 230 А к реостатному торможению при последовательном возбуждении с нормальной уставкой тормозного тока (350 А) и ослабленным током возбуждения (210 А) тяговых электродвигателей без продольных механических толчков в поезде. По мере снижения скорости движения производится вывод ступеней пуско-тормозных резисторов реостатным контроллером РК* Фиксация РК производится на 11-й позиции, при этом в цепи якорей включено сопротивление 1,3 Ом*
При скорости 10—15 км/ч электрическое торможение становится малоэффективным, поэтому на всех вагонах поезда автоматически собирается схема дотормаживания электропневматическим тормозом с давлением в тормозных цилиндрах 1,2—1,5 атм*
В случае неисправности или отказа системы электродинамического торможения автоматически собирается схема замещения элек-тропневматического тормоза с давлением в тормозных цилиндрах 1,5—2 атм.
7.3. Устройство и работа блока регулятора ускорения БРУ
Блок регулятора ускорения БРУ контролирует величину тока тяговых электродвигателей и производит переключение электропнев-матических вентилей привода реостатного контроллера при уменьшении тока ниже уровня уставки в режимах автоматического пуска и реостатного торможения с последовательным возбуждением электродвигателей. Уставка тока задается машинистом посредством переключателя понижения уставок (ППУ) В4О0 с пульта управления* Величина задаваемых уставок пускового тока тяговых электродвигателей приведена в табл* 7.1*
Таблица 7.1
Уставки пускового тока
Положение В400 Ток в обмотке якоря ТЭД, А
Уставка 1 140
Уставка 2 185
Уставка 3 230
Уставка 4 275
Уставка 5 320
Уставка 6 365
Уставка 7 410
ВУ
Рис. 7,2, Функциональная схема блока БРУ
Функциональная схема блока БРУ показана на рис, 7,2. Блок БРУ состоит из порогового устройства ПУ сравнения сигналов заданной уставки тока и датчика тока якорей ДТЯ, выходного усилителя ВУ и тиристорного триггера Т1—Т2? переключающего питание электропневматических вентилей привода реостатного контроллера РК1? РК2. Реостатный контроллер при переключении триггера и срабатывании электропневматического вентиля переходит на следующую позицию.
Принципиальная схема блока БРУ показана на рис. 7,3. Блок БРУ содержит выпрямительные мосты Д1, Д23 а также сглаживающие фильтры для преобразования и сглаживания входных напряжений переключателя понижения уставки ППУ и датчика тока ДТЯ, Пороговое устройство ПУ функционально представляет собой триггер Шмита (электронное реле) DA1, который переключается, когда сигнал датчика тока становится по уровню меньше сигнала заданной уставки. Выходной усилитель ВУ порогового устройства (транзисторы VT1, VT2) подает команду на триггер Т1—Т2 (тиристоры VS13 VS2)? переключающий питание электропневматических вентилей РК1 и РК2 привода реостатного контроллера РК,
Импульс на переключение реостатного контроллера выдается при выполнении двух условий:
— ток якорей тяговых электродвигателей меньше тока уставки БРУ;
— интервал времени от момента включения тяги или от момента предыдущего импульса до момента подачи очередного импульса должен быть больше интервала временнбй задержки, соответствующего времени перехода реостатного контроллера на очередную позицию (035 с).
Интервалы задержки переключения вентилей РК обеспечивают плавное нарастание силы тяги электродвигателей на первых пози-
№ V» СЛ
VD62i
VD72i
Рис. 7.3. Принципиальная схема блока БРУ
циях контроллера, когда ток двигателей ниже уставки, и исключают «проскакивание» позиций. В режиме возврата реостатного контроллера на первую позицию ток тяговых электродвигателей равен нулю, поэтому время вращения вала привода контроллера определяется только интервалом временной задержки переключения вентилей РК1—РК2 и составляет 8—12 с. Давление воздуха, поступающего на вентили контроллера, не влияет на время его возврата.
При переводе силовой цепи моторного вагона электропоезда из режима рекуперации в режим реостатного торможения с самовозбуждением по команде реле РСВ подается питание на контактор Т, при замыкании которого подается питание на блок БРУ по проводу 1Ф через блокировку реле — повторителя ПТ (рис* 7.4). Так как провода 603, 638 выходной цепи датчика тока ДТЯ замкнуты между собой блокировочными контактами контактора ОВ? прекращается контроль тока в якорной цепи блоком БРУ. В этом случае блок БРУ подает питание на электропневматический вентиль привода
33 Цепь
а5 в5 Уставка тормозного тока
34
1 ПРБ 1Ф 30А
al Управление РК + 110 В
в4 -НОВ
603
аб ДТЯ
OR Т
а4 ДТЯ
_Р№ 638
аЗ Ступенчатое понижение уставки
РК1 11 в2 Питание РК1
ip
РК2 вЗ Питание РК2
а2 РК общ
Рис. 7,4, Схема внешних цепей блока БРУ
реостатного контроллера, вал которого поворачивается на 2-ю позицию. На этой позиции снимается питание с блока автоматического управления торможением БУТ и выключается контактор ОВ, отключая обмотки возбуждения от тиристорного преобразователя* Цепь проводов 603 и 638 размыкается н.з* блокировкой контактора ОВ, в результате обеспечивается подача внешних сигналов с датчика тока ДТЯ в блок БРУ* Наличие сигналов датчика тока ДТЯ на входе БРУ исключает хронометрическое вращение реостатного контроллера РК; он фиксируется на 2-й позиции, пока ток якорей тяговых электродвигателей не снизится до уровня уставки блока БРУ*
Блок БРУ управляет приводом РК в режиме реостатного торможения, контролируя ток в якорной цепи в зависимости от выбранной машинистом уставки* При переходе РК на 3-ю позицию отключаются контакторы КВ и ЛК
Электропитание блока БРУ и цепей электропневматичеких вентилей РК1, РК2 привода реостатного контроллера осуществляется от цепей управления напряжением ПО В. Блок БРУ оснащен встроенным узлом двуполярного стабилизированного источника питания элементов схемы БРУ с напряжением ±12 В.
Если КМ находится в положении 1Т, то РК остается на 1-й позиции, так как отсутствует питание провода 1Ф (провод 1), при переводе КМ в положение 2Т3 ЗТ или 4Т провод 1Ф получает питание и БРУ доводит РК ДО 11 ПОЗИЦИИ*
Переключатель понижения уставок ППУ находится в головном вагоне и состоит из выпрямительного моста VD8—VD11, в диагонали которого цепь стабилитронов VD1—VD7 переключается с помощью многопозиционного переключателя (см. рис. 7*3)* Питание цепи осуществляется переменным напряжением 127 В* Выходное переменное напряжение, ступенчато регулируемое многопозиционным переключателем, передается через блокировочные контакты тормозного переключателя ПТ (на рис. 7.3 не показаны) по поездным проводам 33 и 34* Контакты ПТ в цепи провода 33 необходимы для того, чтобы понижение уставки формировалось с ППУ только на головном вагоне электропоезда, с которого производится управление движением. К проводам 33 и 34 подключены первичные обмотки согласующих разделительных трансформаторов Т1, расположенных в блоках БРУ всех моторных вагонов*
Напряжение, снимаемое со вторичной обмотки трансформатора Т1 БРУ, выпрямляется диодным мостом Д1, на выход которого подключен резистор R6, К вторичной обмотке трансформатора Т2 подключен выходной диодный выпрямительный мост Д2, нагрузкой которого является резистор R7. Балластный резистор R5 нагружает поездные провода 33—34, исключая появление в них наведенных помех.
Измерение тока тяговых электродвигателей производится датчиком тока ДТЯ, выполненным на основе трансформатора постоянного тока. Рабочие обмотки датчика тока включены последовательно С выходным нагрузочными резисторами Rl, R3 к источнику переменного напряжения 127 В. Параллельно нагрузочным резисторам Rl, R3 включен разделительный трансформатор Т2, Изменением эквивалентной величины сопротивления нагрузочного резистора R3 посредством параллельно включенных подстроечных резисторов (на рис. 7.3 не показаны) можно в небольших пределах изменить нормальную уставку, корректируя ее в зависимости от разброса параметров схемы. Резистор R1 нагрузочной цепи датчика тока предназначен для понижения уставки тока тяговых электродвигателей посредством его закорачивания блокировочными контактами промежуточного реле ПРБ при срабатывании реле боксования-юза. К вторичной обмотке трансформатора Т2 подключен выходной диодный выпрямительный мост Д2, нагрузкой которого является резистор R7.
Функционирование блока БРУ. Напряжение выходного диодного моста Д2 датчика тока ДТЯ, пропорциональное току якорей тяговых электродвигателей, суммируется с напряжением выходного диодного моста Д1, задаваемого положением переключателя В4О0 в головном вагоне. Суммарное напряжение диодных мостов Д1, Д2 подводится к конденсатору С1 входной цепи порогового устройства DA1. Напряжение конденсатора С1 отрицательной полярности подается на «плюс»-вход операционного усилителя DA1 через резистор R9. Положительный электрод конденсатора С1 подключен к общей шине схемы усилителя (+12 В). На этот же вход усилителя DA1 подается, кроме того, через резистор R10 положительное смещение от источника питания +24 В. Положительная обратная связь, обеспечивающая релейный режим переключения усилителя DA1, создается резистором RH. Диоды VD2, VD3 защищают
вход операционного усилителя от повышенного напряжения. Выходное напряжение усилителя DA1 будет отрицательным, пока суммарное напряжение диодных мостов Д1 и Д2 на конденсаторе С1 превышает величину напряжения смещения, т.е. ток якорей тяговых электродвигателей превышает уровень заданной уставки. При этом транзистор VII будет открыт, а составной транзистор VT2— VT3 заперты положительным смещением базы.
Переключение напряжения порогового устройства ПУ на положительный уровень и, следовательно, подача питания на один из электропневматических вентилей реостатного контроллера РК1— РК2 происходит при снижении напряжения на конденсаторе С1 до величины напряжения смещения, т.е. при снижении тока якорей тяговых электродвигателей до уровня уставки. Следовательно, чем выше уровень напряжения на выходе ППУ, тем при меньшем уровне напряжения на выходе датчика тока (меньшем токе двигателей) будет происходить переключение вентилей реостатного контроллера. Положительным выходным напряжением усилителя DA1 запирается транзистор VT1, база транзистора VT2 получает отрицательное смещение и он отпирается. Усилительный каскад составного транзистора VT2—VT3 формирует импульс положительного напряжения на управляющих электродах тиристоров VS1, VS2 выходного триггера. Тиристор выходного триггера VS1 или VS2 переключается и подает питание на электропневматический вентиль привода реостатного контроллера РК1 или РК2.
Кроме суммарного падения напряжения на резисторах R6 и R7, к конденсатору С1 импульсно прикладывается напряжение конденсатора СЗ или С4 по цепи обратной связи через диод VD11 или VD12 в момент отпирания одного из тиристоров VS1 или VS2 и переключения одного из вентилей РК1 или РК2. Постоянная времени создавшейся цепи достаточно мала (несколько десятков микросекунд), поэтому конденсатор С1 практически мгновенно заряжается до напряжения, превышающего порог переключения усилителя DA1. Пороговое устройство DA1 переключается на отрицательный уровень выходного напряжения, транзистор выходного усилителя VT1 отпирается, а каскад составного транзистора VT2—VT3 запирается, обесточивая цепь управления тиристоров VS1—VS2 выходного триггера. Выходной транзисторный каскад VII порогового устройства DA1 инвертирует выходной сигнал DA1 и обеспечивает
контроль уровня напряжения на конденсаторе С1. Если напряжение на конденсаторе С1 относительно «минуса-шины ПО В будет ниже уровня напряжения стабилизации стабилитронов VD6, VD7, ток в коллекторной цепи не течет и выходной сигнал транзисторного каскада VT1 не меняется при изменении полярности сигнала на выходе порогового устройства DAL
Конденсатор С1 медленно разряжается через резистор R8 до уровня суммарного падения напряжения на резисторах R6 и R7. Диод VD1 препятствует разряду конденсатора С1 через резисторы R6—R7. Подбором резистора R8 регулируется время разряда С1 и, тем самым, временная задержка на позициях.
В дальнейшем напряжение на конденсаторе С1 уменьшается при снижении тока якорей тяговых электродвигателей до уровня, при котором происходит переключение порогового устройства, ВЫХОДНОГО триггера цепи и вентиля привода реостатного контроллера. Конденсатор С1 снова импульсно заряжается и процесс повторяется.
ТА. Устройство и работа блока управления торможением БУТ (САУТ)
Блок управления торможением БУГ обеспечивает стабилизацию тока цепи якорей тяговых электродвигателей при электродинамическом торможении с независимым возбуждением посредством фазового регулирования углов управления тиристорами преобразователя цепи возбуждения. Уставка тормозного тока тяговых электродвигателей задается тормозным положением контроллера машиниста КМ(1Т—ЗТ). Величина уставок приведена в табл. 7.2.
Таблица 7.2
Уставки тормозного тока
Положение рукоятки контроллера машиниста Ток в обмотке якоря ТЭД, А
1Т 100
2Т 250
ЗТ 350
Если при рекуперативном торможении происходит повышение напряжения в контактной сети более 3950 В, включается реле максимального напряжения РМН, подающее напряжение на повторитель реле максимального напряжения ПРМН, который своей бло
кировкой включает питание катушки контактора Т. При этом реостатный контроллер находится на 1-й позиции. ПРМН становится на «самопитание», для того чтобы в режиме реостатного торможения исключить «звонковую» работу контактора Т. Упрощенная схема силовой цепи в режиме электрического торможения и функциональная схема блока БУТ показаны на рис. 7.5.
Объектом регулирования системы автоматического управления торможением являются тяговые электродвигатели. В цепи якорей ток 7Я поддерживается неизменным системой автоматического управления при изменениях уровня напряжения контактной сети (7С и скорости движения электропоезда посредством регулирования тока возбуждения 1В.
Независимое возбуждение тяговых электродвигателей обеспечивается питанием обмоток ОВ от трехфазного управляемого выпрямителя VS1—VS6 и трансформатором возбуждения. Управляемый выпрямитель является исполнительным устройством блока БУТ. Величина тока возбуждения /в автоматически регулируется изменением угла ар отпирания тиристоров управляемого выпрямителя.
Ток якорей и ток возбуждения /в измеряются датчиками тока ДТЯ1 и ДТВ. Напряжения этих датчиков Ц(ТЯ и С^тв подаются в блок БУТ, обеспечивая обратные связи.
Величина тока рекуперации задается постановкой контроллера машиниста КМ в одно из трех тормозных положений. При этом в задатчик тока якорей ЗТЯ по одному из трех каналов подается постоянное напряжение ПО В и преобразуется в задающее напряжение (7ЗТЯ. Напряжение задатчика суммируется с напряжением датчика тока якорей и подается на вход усилителя сигнала рассогласования тока якорей УРТЯ):
*4 = ^+^. (7.1)
На вход этого усилителя подается также постоянное напряжение смещения которое вычитается из суммы напряжений, формируя сигнал рассогласования:
(7.2)
Сигнал рассогласования с выхода УРТЯ подается через диодно-логическую ячейку VD2 на вход усилителя тока УТ, усиливает-
Рис. 7.5. Функциональная схема блока БУГ (САУТ): РСВ — реле салю возбуждения; ФС — фазовый синхронизатор; ВУ — входной усилитель-формирователь импульсов управления тиристорным мостом; ФР — фазорегулятор; УТ — усилитель тока; СУРСВ — электронное реле включения самовозбуждения; ЗТЯ — задатчик тока якорей ТЭД, УРТЯ; УРТВ — усилители сигналов рассогласования тока якорей и возбуждения; ИП — инвертирующий повторитель сигнала; РЭ — релейный элемент переключения каналов; ВЭ — элемент выдержки времени; К — коммутатор; ЗУ — запоминающее устройство
ся им и поступает на вход шести каналов фазорегулятора ФР в виде сигнала управления U.
Каждый канал фазорегулятора формирует напряжение прямоугольной формы с фазовой задержкой относительно фазных напряжений трансформатора возбуждения. Фазовый синхронизатор ФС формирует напряжение {7фс> посредством которого осуществляется синхронизация выходных сигналов фазорегулятора ар с фазами напряжения питания управляемого выпрямителя УВ.
Выходные усилители—формирователи импульсов ВУ преобразуют фазовые сигналы в пакеты импульсов с фазовыми задержками ар1 - ар6 относительно линейных напряжений Ubc. Uca управляемого выпрямителя. Гальваническая развязка электрических цепей блока БУТ с управляемыми электродами силовых тиристоров VS1—VS6 выпрямителя УВ обеспечивается импульсными трансформаторами.
Если в процессе регулирования ток якорей становится меньше заданного значения, то уменьшаются разность напряжений на входе усилителя УРТЯ и соответственно угол регулирования а ток возбуждения и ток якорей тяговых электродвигателей увеличиваются. Если ток якорей превысит заданное значение, разность напряжений на входе усилителя УРТЯ увеличивается и соответственно возрастает угол регулирования схр, а ток возбуждения и ток якорей уменьшаются.
Поскольку на вход усилителя УРТЯ подается сумма напряжений с выходов датчика тока ДТЯ1 и задатчика уставок, то при увеличении напряжения задатчика уставка тока якорей будет снижаться, и наоборот, при уменьшении напряжения задатчика уставка тока якорей будет повышаться.
В блоке БУТ имеется канал поддержания тока возбуждения /в при отрывах токоприемника, приводящих к существенному снижению тока якорей. Этот канал переключается релейным элементом РЭ и коммутатором К при резком снижении тока якорей и соответственно напряжения Посредством сигналов инвертирующего повторителя ИП и запоминающего устройства ЗУ усилителем сигнала рассогласования тока возбуждения УРТВ формируется сигнал:
Этот сигнал подается через диод VD3 логической ячейки ИЛИ на вход усилителя тока УТ и, далее, в фазорегуляторы, обеспечивая поддержание неизменной величины тока возбуждения /
Временной элемент ВЭ обеспечивает функционирование канала регулирования тока возбуждения в течение промежутка времени (0,5 с), достаточного для восстановления прежней величины тока рекуперации при возобновлении скользящего контакта токоприемника и контактного провода. Коммутатор К подключает выход усилителя УРТВ при нормальном режиме электрического томожения к общей шине схемы, блокируя работу регулятора тока возбуждения*
7.5. Алгоритм управления выпрямителем цепи возбуждения
Управляемый выпрямитель цепи возбуждения состоит из трехфазного трансформатора возбуждения ТрВ и трехфазного тиристорного моста (VS1—VS6) с симметричным управлением, питающего обмотки возбуждения тяговых электродвигателей (рис* 7.6).
Тиристоры управляемого моста отпираются последовательно в порядке увеличения их номеров. Импульсы управления подаются на соответствующие тиристоры со сдвигом 60° относительно импульса управления силового прибора со смежным номером (рис* 7*7)* К тиристорам управляемого выпрямителя прикладывается линейное напряжение С^* Оно опережает фазное напряжение синхронизации (7ф фазорегуляторов на 30°*
Рис. 7,6, Принципиальная схема управляемого выпрямителя
Рис. 7,7, Алгоритм управления управляемого выпрямителя возбуждения
Начальный угол отпирания тиристоров трехфазного моста составляет 60° от начала фазы линейных напряжений. Если принять наименьший угол отпирания моста arailL = 60° за начальный угол регулирования = 0? то выпрямленное напряжение цепи возбуждения ТЭД определяется формулой
(7В = 1, ЗЗС^соз а»,
(7-4)
где 1,35 — коэффициент выпрямления трехфазной мостовой схемы;
Лтр — линейное напряжение трансформатора возбуждения ТрК
Среднее напряжение на выходе управляемого выпрямителя УВ возрастает при уменьшении угла ctp и даже может стать отрицательным.
В статических режимах максимальный угол регулирования, при котором обеспечивается непрерывность тока нагрузки, составляет Ор = 90°. При углах регулирования ар > 90° происходит самопроизвольное запирание тиристоров вследствие возникновения прерывистых токов и напряжение на обмотках взбуждения падает до нуля. Так как обмотки возбуждения тяговых электродвигателей представляют собой электрическую цепь с активно-индуктивной нагрузкой, то возможности регулирования в динамических режимах расширяются с углами регулирования более 90°. При этом управляемый выпрямитель кратковременно переходит в инвертирующий режим, пока ток нагрузки не упадет до нуля.
7.6. Устройство и принцип действия основных элементов блока БУТ (САУТ)
Задатчик уставок тока якорей ЗТЯ, блок питания, а также преобразователь сигналов датчиков тока ДТЯ1 объединены в один модуль «источники питания» ИП. Питание блока БУГ осуществляется постоянным напряжением НО В. Блок питания содержит транзисторный стабилизатор компенсационного типа и четыре последовательно включенные стабилитрона, создающие четыре уровня напряжений относительно общей (заземляющей) шины цепи питания — 12, 24, 36, 48 В. Этими напряжениями осуществляется питание транзисторных и операционных усилителей всех модулей блока БУТ. Общая шина всех элементов блока БУГ подключена к выходу источника питания (+36 В).
Принципиальная схема задатчика ЗТЯ показана на рис. 7.8, Задатчик уставок тока якорей имеет четыре канала (А, Б, В, Г), переключаемых контроллером машиниста в тормозных положениях КМ (1Т—ЗТ). В нейтральном положении контроллера машиниста напряжение питания цепей управления UmTT = 110 В подается на вход А Конденсатор С1 заряжается до напряжения равного напряжению стабилизации стабилитронов VD9—VD11. Фазорегулятор ФР в этом случае формирует угол регулирования управляемого выпрямителя УВ ар > 90°. В результате управляемый мост будет заперт, а токи возбуждения и якорей равны нулю*
В тормозном положении контроллера машиниста 1Т напряжение питания цепей управления = ПО В подается на вход Б.
VD1 R1
VD2 R2
E-E*HLZ
VD12
VD13
от ДТЯ1
VD3 R3
B-&HZZ
VD14
VD4 R4
VD9
YDS
VD6
VD7
VD8
VDIO
VD11
5
I
VD15
Cl= =
11
^ЗУ
VD16
VD17.
R16
Рис. 7.8. Принципиальная схема задатчика уставок и регулятора тока ТЭД
Напряжение Г71зтя на конденсаторе С1 плавно понижается до уровня напряжения стабилизации стабилитронов VD7, VD8.
При этом фазорегулятором ФР уменьшается фазовый угол регулирования до величины ар < 90, при котором управляемый выпрямитель УВ отпирается. В результате тиристорный управляемый мост плавно повышает ток возбуждения / и ток якорей /я ТЭД от нуля до минимальной уставки.
В тормозном положении контроллера машиниста 2Т напряжение = ПО В подается на вход В. Напряжение С^зта на конденсаторе С1 устанавливается равным напряжению стабилизации стабилитрона VD6. Фазорегулятор в этом случае уменьшает угол регулирования управляемого выпрямителя, повышая ток возбуждения и ток якорей ТЭД. Задатчиком устанавливается пониженная (средняя) уставка тока якорей ТЭД.
В тормозном положении контроллера машиниста ЗТ напряжение UmTT = ПО В подается на входы Ви Г, При этом транзистор VII открывается и шунтирует конденсатор С13 напряжение которого понижается до нуля С^зта = 0. В этом случае задатчиком устанавливается максимальная уставка тока якорей ТЭД.
Выходной сигнал датчика тока якорей формируется на резисторе R7 и складывается с напряжением иэтя конденсатора С1. Суммарное напряжение -I- иэтя подается в усилитель сиг-
нала рассогласования УРТЯ.
Усилитель сигналов рассогласования объединен в блоке БУТ с усилителем тока УТ в модуль «регулятор». Усилитель сигнала рассогласования тока якорей УРТЯ (см. рис* 7*8) построен на операционном усилителе DA1, включенном по схеме неинвертирующего сумматора. Напряжение Щ + U3Ta подается на вход операционного усилителя через резистор R10, напряжение смещения от источника +24 В (170 = —12 В относительно шины +36 В) подается через резистор R11. Резисторы R13 и R14 образуют цепь обратной связи* Резистор R9 служит для защиты его выхода от перегрузок, стабилитроны VD16 и VD17 — для защиты входов от сигналов, превышающих допустимые для операционного усилителя величины*
Усилитель тока УТ представляет собой транзисторный эмит-терный повторитель VT2* Напряжение на его выходе Uy пропорционально напряжению на входе. При отсутствии входного сигнала транзистор запирается напряжением смещения, подаваемым
на его базу через резистор R18. Сигнал управления на вход УТ не подается, если на выходе операционного усилителя УРТЯ имеется отрицательное напряжение, т.е. когда ток якорей значительно ниже заданной уставки. Если транзистор VT2 запирается, уровень напряжения на выходе определяется делителем, образуемым резисторами R16 и R17* При таком уровне напряжения управления Uy фазорегулятор выдает импульсы с минимальным углом регулирования <хШщ* Напряжение на выходе управляемого моста в этом слу
чае максимальное.
Узел фазовой синхронизации ФС обеспечивает синхронизацию формирования импульсов, открывающих тиристоры VS1—VS6, с фазами напряжений трансформатора возбуждения ТрВ, питающего управляемый тиристорный мост.
Каждый канал модуля синхронизации формирует два синхронизирующих сигнала и , находящихся в противофазе* Эти сигналы подаются на смежные входы канала фазорегулятора. На рис. 7.9 показана схема канала синхронизации, на рис. 7.10 приведена диаграмма напряжений, поясняющих принцип работы канала модуля фазорегулятора.
На первичную обмотку трансформатора Тр1 канала фазового синхронизатора ФС подано фазное напряжение (7ф трансформатора возбуждения ТрВ* Трансформатор Тр1 обеспечивает гальваническую развязку силовых цепей и цепей блока управления*
Вторичная обмотка трансформатора Тр1 подключена через встречно включенные диоды VD2, VD3 к неинвертирующему входу операционного усилителя DA1*
Напряжение синхронизации фильтруется конденсатором С2 и срезается стабилитронами VD6 и VD7. Операционный усилитель DA1 включен по схеме компаратора* Резистор R7 создает положительную обратную связь операционного усилителя, предотвращающую многократное переключение компаратора (электронный «дребезг») в момент перехода через нулевой уровень входного сигнала искаженной формы. Выходное напряжение компаратора прямоугольной формы U' подается на один из каналов фазорегулято-ра* Транзистор VT4 инвертирует сигнал UL , формируя напряже-/F фС
ние синхронизации Е7фс смежного канала в противофазе, т.е* сдвинутое на 180 эл* град.
Рис. 7,9. Принципиальная схема канала синхронизации
Узел фазорегуляторов ФР состоит из шести одинаковых каналов* формирующих импульсы управления шестью тиристорами моста. Функциональная схема одного канала фазорегулятора и выходного усилителя показана на рис. 7.11, а их принципиальная схема — на рис. 7,12.
Каждый канал фазорегулятора состоит из формирователя пилообразного напряжения ФПН с выходным сигналом (7фпн* компаратора К* выходного усилителя ВУ с импульсным трансформатором ИТ. На вход каждого канала подается сигнал синхронизации £/фс и напряжение управления (7у* формирующие фазовый угол а.
Формирователь пилообразного напряжения ФПН содержит генератор неизменного тока* составленный из транзистора VT1, стабилитрона VD1, резисторов Rl—R2 и конденсатора С13 на котором формируется пилообразное напряжение {^пн. При подаче на 270
Рис. 7,10. Диаграмма преобразования сигналов фазорегулятором
Ч Ла
Рис. 7,11. Функциональная схема фазорегулятора и выходного усилителя
вход ФПН напряжения синхронизации (7фс положительного уровня открывается транзистор VT2 и происходит заряд конденсатора С1 неизменным током. Диоды VD2 и VD3 канала ФПН закрыты в процессе заряда конденсатора С1. Когда меняется полярность синхронизирующего сигнала (7фс> транзистор VT2 закрывается и конденсатор быстро разряжается по цепи: шина +48 В—R3—VD3—Cl-шина +36 В. Диод VD2 исключает возможность перезаряда конденсатора обратной полярностью.
Компаратор с инверсной характеристикой переключения выполнен на операционном усилителе DA1, На инвертирующий вход усилителя подается пилообразное напряжение отрицательной полярности и напряжение управления U? положительной полярнос-
Рис 7.12. Принципиальная схема канала фазорегулятора и выходного усилителя
ти. Если напряжение управления выше абсолютного значения пилообразного напряжения, то напряжение (7фр на выходе усилителя будет отрицательным относительно шины +36 В. Когда абсолютное значение пилообразного напряжения С^пн незначительно превысит напряжение управления выходное напряжение усилителя {7фр скачком изменит знак и станет положительным относительно шины +36 В (см* рис* 7.12)* При отрицательной полярности сигнала синхронизации транзистор VT2 блока ФПН запирается. На вход операционного усилителя по цепи: шина +48 В—R4—VD8 подается сигнал, обеспечивающий отрицательное напряжение на входе усилителя DA1, независимо от соотношения значений пилообразного напряжения (/фпн и напряжения управления t^* Когда транзистор VT2 открыт, диод VD8 на входе компаратора заперт и эта цепь на работу усилителя не влияет*
Компаратор формирует выходной сигнал прямоугольной формы с фазовой задержкой а относительно переднего фронта напряжения синхронизации, пропорциональной сигналу управления регулятора Uy (см. рис* 7*10):
U
а = 180—(7.5) U.
фпн
Временной элемент ВЭ состоит из транзистора VT3, конденсатора С2 и резисторов R7—R9. Он обеспечивает на выходе формирование импульсов заданной длительности, не зависящей от длительности сигнала на его входе. До тех пор пока на входе ВЭ есть отрицательное напряжение относительно шины +36 В, транзистор VI3 открыт, конденсатор С2 заряжен («плюс» со стороны базы VT3). Когда напряжение на входе ВЭ станет положительным, откроется диод VD10, конденсатор С2 начнет перезаряжаться по цепи: шина +36 В—С2—R8—шина +24 В и закроет на время перезаряда транзистор VT3. Транзистор будет заперт до тех пор, пока потенциал его базы не станет ниже потенциала шины +36 В* Когда это произойдет, транзистор VT3 откроется и сформирует на выходе ВЭ импульс. После отпирания транзистора VT3 конденсатор С2 снова зарядится и закроет транзистор VT3* Процесс перезаряда повторится, транзистор VT3 будет готов к формированию нового импульса* ВЭ формирует на выходе фазорегулятора пакет импуль
сов, обеспечивающий гарантированное начальное отпирание управляемого выпрямителя при углах регулирования близких к 90°.
Выходной усилитель ВУсостоит из трех транзисторов (см* рис. 7*12)* Транзисторы VT4 и VT5 включены по схеме составного транзистора, а транзистор VT6, открываясь, подключает через балластный резистор R15 первичную обмотку импульсного трансформатора к напряжению цепей управления +110 В* В паузах между импульсами выходной транзистор VT6 закрыт напряжением смещения*
Импульсные трансформаторы ИТ предназначены для гальванической развязки силовых цепей и цепей управления* Со вторичных обмоток трансформаторов ИТ сигналы подаются на управляющие электроды тиристоров VS1—VS6 управляемого выпрямителя цепи возбуждения тяговых электродвигателей*
7.7. Датчики тока ДТЯ, ДТЯ1, ДТВ
Датчики тока, применяемые в САУ электропоездов ЭР2Т, ЭТ2 выполнены на основе трансформаторов постоянного тока ТПТ* Конструкционно датчики состоят из двух тороидальных ферромагнитных сердечников с прямоугольной характеристикой перемагничивания* На каждый сердечник намотана рабочая обмотка с числом витков wp* Обмотки выполнены с противоположной намоткой. В отверстия обоих сердечников пропущена силовая шина, по которой протекают измеряемые токи 7В* Электрические схемы цепей датчиков ДТЯ, ДТВ и ДТЯ1 показаны на рис* 7*13.
Рабочие обмотки датчика тока якорей ДТЯ соединены последовательно и питаются переменным напряжением 127 В, 50 Гц синусоидальной формы (рис* 7.13, а) Выходное переменное напряжение датчика формируется в виде падения напряжения на резисторе нагрузки R^, параллельно которому подключен изолирующий трансформатор Т1 цепи обратной связи блока БРУ*
Выходное выпрямленное напряжение датчика тока возбуждения ДТВ формируется в виде падения напряжения на резисторе нагрузки R^, включенном в диагональ выпрямительного моста (рис* 7*13, б)* Параллельно резистору нагрузки подключен РфСф-фильтр, предназначенный для сглаживания провалов выходного напряжения, обусловленных изменением направления рабочего тока каждую полуволну питающего напряжения. Выходное выпрямлен-
о— wi>i
и
VD4'^ R,.;
VVD2 41
VD3 el
' L~T^ rT
H _H
HVD5 i62
T K™6
Цггя!
Рис. 7.13. Принципиальные схемы датчиков тока ТЭД: а — датчик тока якорей цепи управления блока БРУ; б — датчик тока возбуждения цепи управления блока БУТ; в — датчик тока якорей цепи управления БУТ
ное напряжение датчика ДТВ подается на вход усилителя сигнала рассогласования тока возбуждения УРТВ блока управления торможением БУТ.
Электрическая схема цепей датчика тока якорей ДТЯ1 показана на рис. 7*13, в. Напряжения питания рабочих обмоток U одинаковые по величине, но противоположные по фазе, подаются от гальванически не связанных обмоток питающего трансформатора (на рис* 7.13, в не показаны). Рабочие обмотки подключены к выходному резистору схемы параллельно через диоды VD2, VD6 и VD5, VD3, разделяющие подведение тока к резистору по полупериодам питающего напряжения.
Выходное напряжение датчика ДТЯ1 /7дтя подведено в модуле «задатчик уставок—регулятор» к резистору нагрузки R^ = R7 (см. рис. 7*8)* Параллельно этому резистору включен потенциометр R8, необходимый для подстройки коэффициента усиления канала регулирования тока рекуперации при регулировке блока САУТ*
Выводы
1. Регулирование режимов электрического торможения электропоезда в широком диапазоне, от максимальной скорости движения до величины 10—15 км/ч, обеспечивается применением комбинированного рекуперативного или реостатного замещающего торможения с независимым возбуждением и реостатного торможения с последовательным возбуждением ТЭД.
2. В режимах рекуперативно-реостатного торможения с независимым возбуждением ТЭД стабилизация тормозного тока производится регулированием тока возбуждения посредством блока БУТ.
3. В режимах реостатного торможения с последовательным возбуждением ТЭД производится ступенчатое регулирование тормозного тока посредством реостатного контроллера, управляемого блоком БРУ*
Глава 8. СИСТЕМА АВТОМАТИЗИРОВАННОГО УПРАВЛЕНИЯ ТЯГОВЫМИ И ТОРМОЗНЫМИ РЕЖИМАМИ ЭЛЕКТРОПОЕЗДОВ ЭР9Т, ЭД9Т
8Л* Функциональные схемы силовых цепей и системы управления электропоездов
Электропоезда переменного тока серий ЭР9Т, ЭД9Т, ЭД9М имеют однотипные электрические схемы с автоматическим пуском и реостатным электродинамическим торможением.
Электропоезда серий ЭР9Т производства 1995 г. оснащены электрооборудованием Рижского электромашиностроительного завода, на электропоездах серии ЭД9Т, ЭД9М, выпускаемых Демиховским машиностроительным заводом, установлено электрооборудование ОАО «Силовые машины» «Электросила», что привело к некоторым изменениям в низковольтных цепях управления, в то время как алгоритмы управления сохранены без изменений.
Система управления электропоездов обеспечивает:
— автоматический пуск (разгон) электропоезда при последовательном возбуждении тяговых электродвигателей от момента троганья с места до максимальной скорости под контролем блока регулятора ускорения БРУ;
— реостатное торможение с независимым возбуждением тяговых электродвигателей от максимальной скорости начала торможения до скорости 10—15 км/ч под контролем блока управления тормозным режимом БУТР и блока реле торможения БРТ;
— изменение интенсивности разгона и торможения из кабины машиниста посредством переключателя понижения уставок ППУ В-40;
— автоматическое дотормаживание электропневматическим тормозом от скорости 10—15 км/ч до полной остановки;
— автоматическое замещение электропневматическим тормозом электродинамического тормоза при его отказе в данной секции;
— комбинированное торможение электродинамическим тормозом моторных вагонов и электропневматическим тормозом прицепных вагонов.
Управление тяговыми и тормозными режимами осуществляется посредством контроллера машиниста, КМ, штурвал которого имеет маневровое положение М, ходовое (тяговое) положение ХОД, нейтральное положение 0 и пять тормозных положений 1Т—5Т:
— М — троганье с места и движение со скоростью около 5 км/ч;
— ХОД — автоматический пуск тяговых электродвигателей и дальнейшее движение со ступенчатым регулированием возбуждения под контролем блока регулятора ускорения БРУ с заданной уставкой пускового тока;
— О — нейтральное положение — выключение силовой цепи из режима тяги;
— 1Т — сбор тормозной схемы и торможение с минимальной уставкой тока 100 А;
— 2Т — торможение с пониженной уставкой тока 250 А;
— ЗТ — торможение с нормальной уставкой тока 320 А;
— 4Т — торможение с максимальной уставкой тока 430 А;
— 5Т — комбинированное торможение* На моторных вагонах действует электрический тормоз с максимальной уставкой тока, а на прицепных — срабатывает эле ктропн ев магический тормоз.
Автоматическое управление режимами пуска, электрического реостатного торможения, электропневматического торможения, энергообеспечение собственных нужд системы управления выполняют блоки бортовой автоматики:
— блок регулятора ускорения БРУ обеспечивает работу силового контроллера при автоматическом пуске в соответствии с заданной переключателем понижения уставок В-40 интенсивностью (пусковым ускорением);
— блок управления тормозным режимом БУТР осуществляет стабилизацию тока якорей и регулирование тока возбуждения тяговых электродвигателей при реостатном электродинамическом торможении с независимым возбуждением тяговых электродвигателей посредством фазового регулирования углов управления тиристорами преобразователя цепи возбуждения. Величина задаваемых уставок тормозного тока ТЭД устанавливается положением контроллера машиниста КМ (IT—4Т);
— блок реле торможения БРТ переводит на очередную позицию силовой тормозной контроллер, который переключает ступени тормозных резисторов по команде, формируемой блоком БУТР;
— блок UI производит автоматический пуск фазорасщепителя;
— блок управления стабилизатором БУС обеспечивает стабилизацию трехфазного напряжения цепей собственных нужд электропоезда.
Аппараты и устройства защиты электропоезда обеспечивают защиту:
— от перенапряжений в контактной сети, для чего в схеме предусмотрены униполярные вилитовые разрядники;
— от радиопомех, вызванных искрением на токоприемнике, коммутацией тяговых двигателей и аппаратов силовой цепи, в схему защиты включен высокочастотный индуктивно-емкостной фильтр;
— от токов короткого замыкания, перегрузки и токов утечек в силовой цепи и цепях вспомогательных машин; защита от аварийных перегрузок силовых цепей осуществляется посредством блока токовой защиты и главного выключателя ГВ;
— от сбора схемы СИЛОВОЙ цепи При отсутствии напряжения В контактной сети;
— от боксования, разносного боксования, юза, заклинивания колесных пар; что осуществляется посредством релейных элементов (реле боксования РБ)*
Принципиальная схема силовых цепей моторного вагона и функциональная схема системы автоматического управления тяговым и тормозным режимами приведена на рис* 8.1* Схема силовых цепей включает в себя цепи высокого напряжения 25 кВ, состоящие из токоприемника, устройства защиты от радиопомех, вилитового разрядника (на схеме не показан), высоковольтного выключателя ГВ, тягового трансформатора ТТ. Тяговая цепь содержит линейные контакторы ЛК1—ЛК4, силовые контроллеры — главный ГК и тормозной ТК, реверсор (на схеме не показан), выпрямительную установку ВУ, сглаживающий реактор СР, управляемый выпрямитель возбуждения УВВ, блоки тормозных резисторов РТ1—2, РТЗ—4*
Тяговая обмотка главного трансформатора состоит из восьми равных по напряжению секций, соединенных последовательно* Она имеет девять выводов 0—8 общим напряжением 2208 В*
Главный силовой контроллер ГК осуществляет переключение выводов тяговой обмотки трансформатора и управление контакторами цепей ослабления возбуждения Ш1— ШЗ, Ш4—Ш6 в режиме тяги, на тормозной силовой контроллер ТК — переключение си-
ТОРМ
Рис. 8.1. Схема силовых цепей и функциональная схема САУ реостатным торможением ЭД9Т: ГК — главный контроллер; ТК — тормозной контроллер; БРТ — блок реле торможения; БРУ — блок регулятора ускорения; БУТР — блок управления тормозным режимом; КМ — контроллер машиниста; ЗУ — задатчик уставок
левой цепи в тормозной режим и регулирование ступеней сопротивлений тормозных резисторов в режиме реостатного электродинамического торможения.
В режиме тяги питание тяговых электродвигателей постоянным током осуществляется посредством выпрямительной установки ВУ, подключаемой к выводам тяговой обмотки главного трансформатора через контакторы 1—12 силового контроллера ПС
Четыре тяговых электродвигателя последовательного возбуждения моторного вагона, включенные последовательно по два, соединены в две параллельные группы и подключены к выпрямительной установке ВУ.
Выпрямительная установка ВУ с мостовой схемой выпрямления содержит два смежных расщепленных плеча VD1, VD3, VD5 и VD2, VD4, VD6, обеспечивающих переключение выводов тяговой обмотки с токовой нагрузкой без разрыва цепи и коротких замыканий,
В маневровом режиме напряжение к тяговым электродвигателям подводится от секции 7—8 тяговой обмотки через замкнутые на 1-й позиции контакторы ГК1, ГК12 главного силового контроллера, диодные плечи VD8, VD1 и переходный диод VD5 расщепленного плеча выпрямительной установки ВУ с однополупериод-ным выпрямлением.
Автоматический пуск осуществляется последовательным переключением выводов тяговой обмотки и повышением по мере увеличения скорости движения напряжения, подводимого к тяговым электродвигателям. Переключение выводов тяговой обмотки производится силовым главным контроллером ТК, управляемым блоком регулятора ускорений БРУ с заданной уставкой пускового тока. Расширение диапазона регулирования скорости движения обеспечивается тремя ступенями ослабления возбуждения, переключаемыми силовыми контакторами Ш1—ШЗ, Ш4—Ш6, при этом управление этими контакторами осуществляется посредством блокировочных контактов главного силового контроллера ГК.
В тормозном режиме обмотки возбуждения ТЯГОВЫХ электродвигателей отсоединяются от обмоток якорей размыкаемыми кулачковыми контакторами ТК10, ТК12, ТК17, ТК18 силового тормозного контроллера и подключаются к управляемому выпрямителю возбуждения УВВ замыкаемыми кулачковыми контакторами ТК11,
ТК13, ТК14. Питание выпрямителя цепи возбуждения осуществляется от секции 0—4 тяговой обмотки главного трансформатора через замкнутый кулачковый контактор ТК11 и плавкую вставку Пр24. Цепь независимого возбуждения тяговых электродвигателей замыкается включением линейных контакторов Л КЗ, ЛК4.
Обмотки якорей тяговых электродвигателей подключаются к блокам тормозных резисторов двумя независимыми контурами, замыкаемыми кулачковыми контакторами ТК1, ТК19. Цепь тормозных токов якорей тяговых электродвигателей замыкается включением линейных контакторов ЛК1, ЛК2.
Стабилизация тормозного тока производится путем регулирования тока возбуждения тяговых электродвигателей блоком регулирования тормозного режима БУТР и переключения ступеней тормозных резисторов посредством силового тормозного контроллера ТК? управляемого блоком БУГР и блоком реле торможения БРТ.
8.2. Система автоматизированного управления режимами тяги и реостатного торможения
Тяговый режим задается поворотом штурвала контроллера машиниста в положение ХОД. Контроль величины тока тяговых электродвигателей и переключение электропневматических вентилей привода главного силового контроллера ГК при уменьшении тока ниже уровня уставки осуществляет блок регулятора ускорения БРУ. Уставка тока задается машинистом посредством переключателя понижения уставок ППУ В-40 с пульта управления. Величина задаваемых уставок пускового тока тяговых электродвигателей приведена в табл. 8.1.
Таблица 8.1
Уставки пускового тока
Положение В-40 Ток в обмотке якоря ТЭД, А
Уставка 1 150
Уставка 2 185
Уставка 3 220
Уставка 4 275
Уставка 5 300
Уставка 6 345
Уставка 7 390
Устройство и принцип действия блока БРУ системы автоматизированного управления тяговым режимом электропоездов ЭР9Т, ЭД9Т аналогичны устройству и работе блока БРУ системы управления электропоездов постоянного тока ЭР2, ЭТ2. Различия заключаются в том, что силовые цепи моторных вагонов электропоездов ЭР9Т, ЭД9Т содержат по две параллельные труппы тяговых электродвигателей , ток которых измеряется датчиками тока ДТЯ1, ДТЯ2. Функциональная схема блока БРУ показана на рис. 8*2.
Рис. 8,2, Функциональная схема блока БРУ
Диодные мосты выходных трансформаторов датчиков тока ДТЯ1, ДТЯ2 включены параллельно на общий выходной резистор, образуя логическую схему ИЛИ-МАХ. В этом случае для управления используется сигнал датчика тока якорей более нагруженной труппы тяговых электродвигателей. Блок БРУ содержит пороговое устройство ПУ сравнения сигналов заданной уставки тока и датчиков тока якорей ДТЯ1, ДТЯ2, выходной усилитель ВУ и триггер Т1—Т2, переключающие питание электропневматических вентилей привода главного силового контроллера ГК13 ГК2. Главный контроллер при переключении одного из триггеров и срабатывании электропневматического вентиля переходит на следующую позицию* Переключение ступеней регулирования напряжения заканчивается на 16-й позиции ГК, на 17—19-й позициях включаются блокировочными контакторами главного силового контроллера ГК электропневматические контакторы цепей ослабления возбуждения Ш1-ШЗ, Ш4-Ш6.
Режим реостатного торможения. До перевода штурвала КМ в одно из тормозных положений из положения ХОД машинист электропоезда должен установить нейтральное положение КМ и сделать выдержку около 10 с д ля выполнения перехода ГК на 1-ю позицию* Тем самым исключается одновременное переключение силовых контакторов ГК и ТК под нагрузкой и подгар СИЛОВЫХ КОН-
такгорных элементов* Регулирование токов якорей и возбуждения тяговых электродвигателей в режиме реостатного торможения с независимым возбуждением при переключении ступеней сопротивлений тормозных резисторов, а также стабилизация тока возбуждения при достижении им заданного значения производится системой автоматического управления реостатным торможением. В комплект системы автоматического управления входят следующие устройства: тиристорно-диодный мост VS1—VS2, VD9—VD10 (см, схему рис* 8.1), блок управления тормозным режимом БУТР, блок реле торможения БРТ, датчики тока якорей ДТЯ1, ДТЯ2, датчик тока возбуждения ДТВ, реле повышения уставки РПУ(на схеме не показано)*
Стабилизация тормозного тока в цепях якорей тяговых электродвигателей (1—2) и (3—4) в процессе торможения при снижении скорости движения электропоезда производится путем увеличения тока возбуждения 7В и ступенчатого уменьшения сопротивления тормозных резисторов РТ1—2, РТЗ—4 посредством тормозного силового контроллера ТК* Сигнал перехода тормозного силового контроллера ТК на следующую тормозную позицию выдает блок управления тормозным режимом БУТР при достижении током возбуждения тяговых электродвигателей величины 170 А*
Величина уставок тормозного тока тяговых электродвигателей устанавливается тормозным положением контроллера машиниста КМ(1Т—4Т). Величина уставок тока приведена в табл* 8.2*
Таблица 8.2
Уставки тормозного тока
Положение контроллера машиниста Ток якорей ТЭД, А
1Т 100
2Т 250
ЗТ 320
4Т 430
Допустимые уставки тока якорей тяговых электродвигателей в зависимости от положения контроллера машиниста КМ, тормозного силового контроллера ТК и скорости движения при торможении электропоезда приведены в табл* 8.3*
Таблица 8.3
Допустимые уставки тока якорей тяговых электродвигателей
Положение КМ Позиция ТК Скорость, км/ч Уставка тока якоря, А
1 3-11 не норм. 100+20
2 3-11 не норм. 250+10
3 3-11 >95 300+10
3 3-11 < 95 320+10
4 3 >95 300+10
4 3 < 95 400+15
4 4 (J < 95 430+15
4 7-11 < 95 500+15
Скорость движения, приведенная в табл. 8.3, показывает соответствие уставок тока якорей тяговых электродвигателей их ограничениям, обеспечиваемым на позициях РК5—РКП силового реостатного контроллера блоком БРТ и реле РПУ. Наибольший ток возбуждения тяговых электродвигателей ограничен величиной 200 А, число ступеней тормозных резисторов 7, скорость окончания реостатного торможения 16 км/ч.
Блок управления реостатным торможением БУТР выполняет следующие функции:
— обеспечивает плавное нарастание тока якорей тяговых электродвигателей до заданного значения при включении режима реостатного торможения;
— обеспечивает стабилизацию тока якорей ТЭД при фиксировании тормозных позиций ТК;
— управляет процессом регулирования тока якорей и тока возбуждения в режиме переключения ступеней сопротивлений тормозных резисторов;
— выдает сигнал разрешения на переключение тормозного силового контроллера ТК на следующую позицию при достижении тока возбуждения тяговых электродвигателей величины 170+10 А;
— управляет процессом поддержания постоянного тока возбуждения при достижении его величины 200±10 А до переключения ступени тормозных резисторов силовым контроллером ТК;
— обеспечивает тормозной режим с новой величиной тормозных сопротивлений, уменьшенной тормозным контроллером ТК;
— ограничивает уставку тормозного тока на уровне 300 А при высокой скорости движения (выше 95 км/ч) и малом токе возбуждения;
— уменьшает уставку тока якорей тяговых электродвигателей при поступлении сигнала юза.
Величина тока возбуждения 1В автоматически регулируется изменением угла ар отпирания тиристоров управляемого выпрямителя, поддерживая неизменным ток якорей /я тяговых электродвигателей на интервале времени фиксации тормозной позиции ТК, Токи якорей /я тяговых электродвигателей измеряются датчиками тока ДТЯ1, ДТЯ2, ток возбуждения ZB измеряется датчиком тока ДТВ. Напряжения этих датчиков подаются в блок БУТР, обеспечивая обратные связи.
Подготовка силовой цепи для режима торможения производится при переводе контроллера машиниста в тормозное положение 1Т, При этом силовой тормозной котроллер ТК переходит хронометрически с 1-й позиции на 3-ю, производя переключение силовой цепи в тормозной режим. Подготовка силовой цепи для режима торможения заканчивается замыканием линейных контакторов ЛКЗ—ЛК4 в цепи возбуждения и ЛК1—ЛК2 в цепи якорей тяговых электродвигателей. После замыкания линейных контакторов ЛК1—ЛК2 производится переключение выходных цепей датчиков тока якорей ДТЯ1, ДТЯ2 с измерительных входов блока БРУ на измерительные входы блока БУТР и БРТ посредством реле переключения датчиков РПД, а также снимается напряжение +110 В с цепи запрета регулирования тока возбуждения тяговых электродвигателей в блоке БУТР (провод 15АЯ), Схема внешних цепей блоков БУТР и БРТ показана рис* 8.3,
Напряжение задатчика уставок плавно понижается от уровня запрета регулирования тиристорно-диодного моста VS1—VS2, VD9— VD10 до уровня заданной уставки. Тиристорно-диодный мост открывается, плавно повышая ток возбуждения и ток якорей ТЭД до заданной уставки 100 А
После перевода штурвала КМ в положение 2Т получает питание провод 4 и обесточивается провод 8, в результате уставка тормозного тока повышается до 250 А В положении КМ ЗТ подается
Рис. 8.3. Схема внешних цепей блоков БУТР и БРТ
питание на провод 70, а провод 4 обесточивается, при этом уставка тока увеличивается до 320 А. В положении КМ 4Т обесточивается провод 70 и с уставок тока снимаются ограничения, если разомкнуты блокировочные контакты ТКУЗ и ТКУ4—ТКУ6. Этими блокировочными контактами устанавливается ограничение уставки тока на 3-й позиции и на позициях 4—6 силового контроллера ТК.
При переводе контроллера машиниста в положение 2Т—4Т напряжение задатчика уставок тока понижается, увеличивая сигнал рассогласования на входе регулятора тока якорей блока БУТР. В результате происходит увеличение тока возбуждения до контрольного уровня 170 А, при котором устройство контроля величины тока возбуждения блока БУТР формирует релейный сигнал, включающий электромеханическое реле РВ. Через замкнутые контакты реле РВ подается питание на блок реле торможения БРТ, посредством которою производится переключение силового тормозного контроллера ТК на следующую позицию, если ток якорей тяговых электродвигателей будет ниже уровня заданной уставки тока 380 А блока БРТ. Если величина тормозного тока (в положении КМ 4Т) превышает уставку блока БРТ, то регулятор тока возбуждения блока БУТР обеспечивает стабилизацию тока возбуждения на уровне 200+10 А.
При переключении силовою тормозного контроллера ТК на следующую тормозную позицию ступенчато уменьшается сопротивление тормозных резисторов и скачком возрастает тормозной ток тяговых электродвигателей. Напряжение рассогласования на входе регулятора тока якорей блока БУТР уменьшается, увеличиваются фазовые углы регулирования тиристорного моста VS1—VS2, VD9—VD10. В результате происходит уменьшение тока возбуждения и тока якорей тяговых электродвигателей. Процесс переключения ступени тормозных резисторов протекает с незначительным перерегулированием тока якорей ТЭД.
Дальнейший процесс регулирования тормозного режима повторяется. Ток возбуждения тяговых электродвигателей увеличивается регулятором блока БУТР для поддержания тока якорей неизменным на уровне заданной уставки по мере снижения скорости движения. При достижении тока возбуждения контрольного уровня 170±10 А формируется команда переключения силового тормозного контроллера ТК на следующую позицию.
Функциональные элементы блока БУТР ограничивают уставку тормозного тока меньше заданного значения в положении ЗТ, 4Т контроллера машиниста КМ на позициях силового тормозного контроллера ЗТК—6ТК при высокой скорости движения и малых токах возбуждения*
Уставка тока якорей ТЭД не может быть больше значения, указанного в табл* 8.3, пока узел контроля тока возбуждения блока БУТР не снимет ограничения с уставки по условиям коммутации.
8.3. Функциональная схема системы автоматического управления реостатным торможением БУТР
Функциональная схема системы автоматического управления реостатным торможением приведена на рис* 8*4*
Блок управления реостатным торможением БУТР конструктивно выполнен в виде четырех модульных плат, на которых размещены все функциональные узлы схемы: источник питания, задатчик уставок ЗУ; регулятор тока якорей РТЯ, регулятор тока возбуждения РТВ, узел контроля тока возбуждения тяговых электродвигателей УКТВ; формирователь синхронизирующих сигналов ФС, фазорегулятор ФР, выходные устройства ВУ, импульсные трансформаторы ТрИ1, ТрИ2* Устройство, электрические схемы, принципы функционирования узлов блока БУТР аналогичны узлам блоков автоматического управления торможением САУТ электропоездов постоянного тока ЭР2Т, ЭТ2.
Постоянное напряжение ПО В подается в задатчик уставок тока якорей ЗУ по одному из пяти каналов и преобразуется в задающее напряжение с^тя* Напряжение задатчика суммируется с большей из двух величин выходного напряжения ЦГ1Я датчиков тока якорей тяговых электродвигателей, выделяемой элементом ИЛИ-МАХ, и подается на вход усилителя регулятора тока якорей РТЯ:
= (8-1)
Напряжение датчика тока возбуждения подается на вход усилителя регулятора тока возбуждения тяговых электродвигателей РТВ. На входы этих усилителей подается также постоянное напряжение /70в, задающее уровень ограничения максимального то-
/ГВ
Рис. 8.4. Функциональная схема системы управления торможением: ФС — фазовый синхронизатор; Тр.С — трансформатор синхронизации, ФР — фазорегулятор; ВУ — выходной усилитель; ТрИ1, ТрИ2 — трансформаторы импульсные; РТЯ, РТВ — регуляторы тока якорей и тока возбуждения; УКТВ — устройство контроля тока возбуждения; РВ — электромеханическое реле; ЗУ — задатчик уставок; ВДТВ — выпрямитель датчика тока возбуждения; РПУ — реле понижения уставки; БРТ — блок реле торможения; ТК — тормозной реостатный контроллер
ка возбуждения. Усилитель регулятора тока возбуждения формирует на выходе напряжение управления по току возбуждения ТЭД:
^ув = - Ц)в)- М
Диодная логическая ячейка ИЛИ-МАХ передает на вход усилителя тока фазорегулятора ФР большее по уровню выходное напряжение регуляторов РТЯ и РТВ.
Фазорегулятор формирует периодические сигналы прямоугольной формы с фазовыми углами а относительно напряжения пита
ния ~ (Z04 тиристорного моста VS1—VS2, VD9—VD10 управляемого выпрямителя возбуждения. Фазовый синхронизатор ФС обеспечивает синхронизацию формирования сигналов фазорегулятора ФР с напряжением питания тиристорного моста. Выходные усилители ВУ преобразуют выходные фазовые сигналы ар фазорегулятора ФР в пакеты импульсов. Импульсные трансформаторы ТрИ13 ТрИ2 обеспечивают гальваническую развязку электрических цепей блока БУТР с управляемыми электродами силовых тиристоров выпрямителя.
Канал регулирования тока возбуждения ТЭД содержит устройство контроля тока возбуждения УКТВ. При достижении током возбуждения величины 170 А элемент УКТВ формирует релейный сигнал, включающий электромеханическое реле РВ, через контактную труппу которого подается напряжение питания НО В на блок реле торможения БРТ. На измерительные входы блока БРТ подаются выходные сигналы датчиков тока якорей тяговых электродвигателей ДТЯ1, ДТЯ2. В том случае, если ток якорей тяговых электродвигателей будет ниже уровня заданной уставки 380 А, блок БРТ формирует команду переключения силового тормозного контроллера ТК на следующую позицию. При превышении тока якорей ТЭД уставки блока БРТ регулятор тока возбуждения РТВ обеспечивает стабилизацию тока возбуждения на уровне 200+10 А, пока ток якорей не понизится до уровня 380 А.
В интервале времени, когда торможение не включено, а также когда собирается силовая схема (ЛК1 и ЛК2 не включены), на провод 15ЯА «запрет тока» подано напряжение +110 В через н.з. блокировку реле-повторителя ПЛКТ (см. рис. 8.3), Конденсатор С1 задатчика уставок ЗУ (рис. 8.5) предварительно заряжается до наибольшего напряжения управления производящего «зарегулирование» тиристорного моста (мост заперт). При включении контакторов ЛК1 и ЛК2 снимается питание с провода 15ЯА, но ток якорей в первый момент времени будет равен нулю, так как на вход регулятора тока якорей подается максимальное напряжение управления удерживающее тиристорно-диодный мост в запертом состоянии. По мере разряда конденсатора задающего устройства ЗУ напряжение на нем уменьшается, в результате уменьшается угол регулирования ар тиристорно-диодного моста, появляется и плавно нарастает ток возбуждения и ток якорей.
Рис 8,5, Принципиальная схема устройства задатчика уставок
Если торможение производится с максимальной уставкой (КМ в положении 4Т, ТК — на 7—11-й поз*), цепи заряда конденсатора задатчика уставок ЗУ отключены, конденсатор плавно разрядится, ток якорей поддерживается на максимальном уровне, при котором:
(8-3)
Уставки тормозного тока меньше максимальной задаются при нахождении КМ в положениях 1Т—ЗТ или в положении КМ 4Т и ТК на 3—6-й позициях (см. табл. 8,3). Также уставка не может быть больше заданного значения, пока узел контроля тока возбуждения не снимет ограничение с уставки тока якоря по коммутации* При возникновении юза уставка снижается до значения, соответствующего уставке в положении КМ 2Т. Величина разных уставок тока якоря определяется тем, на какой из входов блока БУТР подано напряжение цепей управления*
При постановке КМ в положение 4Т торможение с заданной уставкой тока якоря продолжается до тех пор, пока ток возбужде
ния не достигнет заданного значения 1В = (170±10) А. При этом токе «включится» канал регулирования по току возбуждения и в каждый момент времени ток будет поддерживаться таким, чтобы выполнялось равенство:
Гув = - (70в) = const. (8.4)
После того как ток возбуждения станет постоянным (1В = const), ток якорей начнет линейно уменьшаться и при значении, равном уставке переключения (380 А), блок реле торможения БРТ переведет ТК на 4-ю позицию. Поскольку величина тормозных сопротивлений уменьшается, то для сохранения прежней уставки тока якоря необходим меньший ток возбуждения. Снова включается канал регулирования тока якоря, отключая канал регулирования по току возбуждения. Далее процесс регулирования повторяется до перехода ТК на 12-ю позицию, причем при переходе ТК на позицию 5 уставка БРТ увеличивается до 430 А,
8.4. Устройство и принцип действия элементов системы управления реостатным торможением
Источник питания ИП обеспечивает напряжение +12 В, +24 В, +36 В, +48 В относительно шины —НОВ, потенциал которой принят равным нулю. Уровни напряжения источника питания формируются последовательной цепью из четырех стабилитронов с напряжением стабилизации 12 В каждого прибора. На вход ИП подается напряжение цепей управления поездом ПО В. Схема источника питания оснащена транзисторным стабилизатором компенсационного типа, поэтому ток, протекающий через нагрузку и стабилитроны, практически не меняется при изменении напряжения цепей управления в заданных пределах.
Задатчик уставок ЗУ выполнен схемно-технически аналогично задатчику уставок блока автоматического управления БУТ электропоездов постоянного тока ЭТ2, ЭТ2М (схему задатчика см. на рис. 8*5), Напряжение, задающее уставку тормозного тока, устанавливается на конденсаторе С1 в виде падения напряжения на стабилитроне, включенном в цепь канала, задающего уставку тока. Все каналы подключены параллельно к «плюс»-шине заряда конден-
саюра Cl через диодно-логическую ячейку ИЛИ-MAX, подводящую к конденсатору напряжение наиболее высокого уровня. Напряжение конденсатора ЗУ С1 суммируется с выходным напряжением датчика тока ДТЯ1 или ДТЯ2 и подается на вход усилителя регулятора тока якорей ТЭД,
Регуляторы тока якорей РТЯ и тока возбуждения РТВ, фазовый синхронизатор ФС, фазорегулятор ФР, выходной усилитель УВ выполнены также схемно-технически аналогично элементам блока автоматическою управления БУТ электропоездов постоянного тока ЭТ2, ЭТ2М (см. гл* 7).
Узел включения реле РВ показан на рис. 8.6* На вход этого узла подается напряжение с выхода ДТВ, а на его выходе находится реле РВ, которое срабатывает при заданном значении тока возбуждения 7В = (170+10) А. Основным элементом узла является операционный усилитель DA2, включенный по схеме компаратора с положительной обратной связью. Напряжение, пропорциональное току возбуждения с резистора R7, поступает через диод VD7 на делитель R12, R13 и сглаживается конденсатором С2* Это напряжение (7ДТВ с выхода делителя через резистор R19 подается на инвертирующий вход компаратора DA2* На «плюс»-вход компаратора DA2 через резистор R20 подается регулируемое опорное напряжение (7ОП, снимаемое с резисторного делителя R21* Напряжение и (7ОП положительны относительно шины +36 В.
Пока (7ОП > на выходе компаратора DA2 будет положительное напряжение, примерно равное напряжению на шине +48 В. Как только напряжение превысит 17оп компаратор DA2 переключится и на его выходе установится напряжение, примерно равное напряжению на шине +24 В. Транзистор VT22 р-л-p-провод имости получит отрицательное смещение базы, откроется и включит реле РВ* Замыкающаяся н.р* блокировка реле РВ подает питание на блок реле торможения, разрешая переключение тормозною контроллера ТК.
Узел ограничения уставки тока якоря по коммутации производит ограничение максимальной уставки тормозного тока в зависимости от начальной скорости электрического торможения* Он состоит из узла контроля тока возбуждения и выходного транзистора, воздействующего на задатчик уставок.
+«в
2JVZ2]
+48 В
Выход ЗУ
+36 В
Рис 8.6. Принципиальная схема устройства контроля тока возбуждения
tZi
Узел контроля тока возбуждения включает в себя в качестве основного элемента операционный усилитель DA4 (см. на рис, 8.6), включенный по схеме компаратора с положительной обратной связью. На «плюс»-вход компаратора DA4 через резистор R31 подается напряжение с делителя R29, R30, пропорциональное току возбуждения На инвертирующий вход DA4 через резистор R33 подается регулируемое опорное напряжение /7ОП, снимаемое с резисторного делителя R32, R34. Это напряжение положительно относительно шины +36 В. В начале, пока опорное напряжение превышает напряжение датчика тока возбуждения (С^п > (7^), на выходе DA4 будет напряжение, примерно равное напряжению на шине +24 В. База выходной транзистора VT20 п-^-«-проводимости получит отрицательное смещение, поэтому VT20 будет закрыт. С резисторного делителя R37, R38 через диод VD29 подается на конденсатор С1 задатчика уставок ЗУ напряжение (см, рис. 8.5), соответствующее уставке тормозного тока 300 А (см. табл. 8*3), Как только напряжение с выхода ДТВ превысит опорное (ЦГ1В > С^п), DA4 переключится и на его выходе установится напряжение, примерно равное напряжению +48 В, База транзистора VT20 получит положительное смещение, VT20 откроется и, шунтируя потенциометр R38, «отключит» выход делителя R37, R38 цепи понижения уставки от конденсатора С1 задатчика уставок ЗУ. В результате на конденсаторе С1 задатчика уставок ЗУ установится напряжение, задаваемое внешними цепями уставок.
Выводы
1, Режим электрического реостатного торможения электропоезда в широком диапазоне от максимальной скорости движения до величины 10—15 км/ч обеспечивается ступенчатым регулированием тормозных резисторов посредством тормозного реостатного контроллера, управляемого блоком БУТР.
2. Стабилизация тормозного тока при торможении обеспечивается путем регулирования тока возбуждения ТЭД в процессе переключения ступеней тормозных резисторов посредством регулятора тока якорей РТЯ, при кратковременной фиксации тормозных ступеней — регулятором тока возбуждения РТВ.
Рекомендуемая литература
L Электропоезда постоянного тока ЭД2Т, ЭТ2М? ЭД4М, ЭР2Т, ЭТ2 / Под ред. Д*В* Пегова. — М.: Центр коммерческих разработок, 2008. — 190 с.
2. Система управления и диагностики электровоза ЭП10 / Под ред* С.В. Покровского. — М.: Интекст, 2009, — 256 с*
3. Якушев А.Я., Корнев А. С. 3 Колодкин ОЛ, Гоголев ГА, Система автоматического управления электропоездов ЭД9Э с зонно-фазовым регулированием напряжения // Электрификация и развитие железнодорожного транспорта России. Традиции, современность, перспективы. Материалы международного симпозиума. ПГУПС. — СПб., 2005*
4. Браммер ЮА., Пащук ИЛ Цифровые устройства — М*: Высшая школа, 2004, — 228 с*
5. Якушев А.Я.? Корнев А. С. Расчет регулировочных и внешних характеристик однофазного 4-зонного выпрямительно-инверторного преобразователя электроподвижного состава // Вестник ВЭЛНИИ. — 2005. - Выл. 1(49).
6. Электроподвижной состав с электрическим торможением / Под ред* ЮМ Инькова и Ю.И. Фельдмана* — М*: ГОУ УМЦ Л<ДТ, 2008. - 412 с.
7. Плис В.И. Усовершенствованные системы управления современными электровозами переменного тока // Вестник ВЭЛНИИ* — 2008. - Выл. 1 (55)*
8. Соколовский ГГ Электроприводы переменного тока с частотным регулированием, — М.: Академия, 2006. — 265 с.
9. Динамические процессы в асинхронном тяговом приводе магистральных электровозов: монография / Ю*А Бахвалов, Г*А* Буза-ло, АА, Зарифьян, П.Б* Петров и др.; под ред* АА. Зарифьяна* — М*: Маршрут, 2006* — 374 с*
10* Асинхронный тяговый привод локомотивов: учеб, пособие / АА. Андрющенко, Ю*В. Бабков, АА. Зарифьян и др*; под ред* АА Зарифьяна. - М.: ФГБОУ УМЦ ЖДТ, 2013. - 413 с.
11. Автоматизированные системы управления электроподвижным составом: учебник в 3 ч., ч* 1 / ЛА* Баранов, АН* Савоськин, О*Е, Пудовиков и др,; под ред* ЛА* Баранова и А.Н. Савоськина. — М*: ФГБОУ УМЦ ЖДТ, 2013. - 400 с.
12. Баранов Л.А. Модели систем автоматического управления: учебник. — 2-е изд*, испр* и доп. — М*: МНИТ, 2008* — 552 с*
13. Грищенко АЛ., Казаченко ЕЛ. Новые электрические машины локомотивов* - М,: ГОУ УМЦ ЖДТ, 2008. - 271 с.
14. Микропроцесорные системы автоматического регулирования электропередачи тепловозов: учеб* пособие для студентов вузов ж-д. транспорта / АВ* Грищенко, В.В* Грачев, С*И* Ким и др*; под ред* АВ. Грищенко, — М.: Маршрут, 2004. — 172 с.
15. Волъдек А. И., Попов ВЛ. Электрические машины. Введение в электромеханику. Машины постоянного тока и трансформаторы: учебник для вузов* — СПб*: Питер, 2007, — 320 с*
16* Киржнер Д.Д. Требования к новому тяговому подвижному составу / Железнодорожный транспорт* — 2007. — № 8.
17. Луков НМ., Космодамианский А. С. Автоматические системы управления локомотивов. — М*: ГОУ УМЦ ЖДТ, 2007* — 429 с*
18. Южаков Б.Г. Электрический привод и преобразователи подвижного состава* — М.: ГОУ УМЦ ЖДТ, 2007. — 389 с.
19. Панкратов Ю.И. Электропривод и преобразователи подвижного состава. — М.: ГОУ УМЦ ЖДТ, 2007* — 190 с*
Оглавление
Введение...........................................3
Глава 1. ЭФФЕКТИВНОСТЬ АВТОМАТИЗАЦИИ ЭЛЕКТРОПОВИЖНОГО СОСТАВА........................4
1.1. Условия работы бортовой аппаратуры систем автоматизированного управления..............4
1.2. Этапы совершенствования элементной базы и аппаратуры САУ...................................6
1.3 Технико-экономическая эффективность автоматизации ЭПС..................................8
Глава 2. ЭЛЕМЕНТЫ СИСТЕМ АВТОМАТИЗИРОВАННОГО УПРАВЛЕНИЯ ЭПС............................10
2.1. Усилительные и переключающие аналоговые элементы.10
2.2. Цифровые микросхемные элементы...................34
2.3. Преобразователи цифровых и аналоговых сигналов...52
2.4. Генераторы пилообразного напряжения..............64
2.5. Фазорегуляторы...................................68
2.6. Измерительные преобразователи (датчики) сигналов.73
2.7. Формирователи импульсов и драйверы...............86
2.8. Модули управления электроаппаратами..............94
Глава 3. СИСТЕМА АВТОМАТИЗИРОВАННОГО УПРАВ-
ЛЕНИЯ ВЫПРЯМИТЕЛЬНО-ИНВЕРТОРНЫМИ
ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЯМИ ЭЛЕКТРОВОЗОВ ВЛ65, ВЛ85...............................................100
3.1. Силовая цепь и функциональная схема системы управления преобразователями.................100
3.2. Алгоритм управления ВИП в тяговом режиме .......104
3.3. Алгоритм управления ВИП в режиме рекуперативного торможения...........................112
3.4. Система управления ВИП..........................117
3.5. Основные элементы блоков управления БУВИП-030, БУВИП-133.................................124
3.6- Блок автоматического управления тяговыми и тормозными режимами электровозов................138
Глава 4* МИКРОПРОЦЕССОРНЫЕ СИСТЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ И ДИАГНОСТИКИ
ЭЛЕКТРОВОЗОВ ЭПЦ ЭП1М, 2ЭС5К....................144
4*1. Схемы силовых цепей и функциональные схемы систем управления электровозов....................144
4.2. Функциональная схема микропроцессорной системы управления и диагностики МСУД электровоза ЭП1.....152
4.3. Функциональная схема микропроцессорной системы управления и диагностики МСУД-Р электровоза 2ЭС5К.161
4.4. Алгоритмы управления тяговым электроприводом электровоза ЭП1...................................165
Глава 5* МИКРОПРОЦЕССОРНАЯ СИСТЕМА
УПРАВЛЕНИЯ АСИНХРОННЫМИ ТЯГОВЫМИ ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЯМИ ЭЛЕКТРОВОЗА 2ЭС5.............174
5*1. Схема силовой цепи и функциональная схема системы управления преобразователями..............174
5.2. Характеристики асинхронного электродвигателя.178
5.3. Обобщенные векторы тока и потокосцепления асинхронного электродвигателя.....................187
5.4. Структурная схема асинхронного тягового электропривода...........................................193
5.5. Система автоматического управления асинхронным тяговым электродвигателем.........................200
5*6. Алгоритмы управления автономным инвертором напряжения.............................205
5.7- Алгоритмы управления четырехквадрантным преобразователем 4QS.....................................209
Глава 6. СИСТЕМА АВТОМАТИЗИРОВАННОГО
УПРАВЛЕНИЯ ТОРМОЗНОЙ СИЛОЙ ЭЛЕКТРОВОЗОВ ВЛ80Т, ВЛ80С.......................217
6.1. Силовая цепь и функциональная схема системы управления................................218
6-2. Функциональная схема блока автоматического управления реостатным торможением БУРТ-016........223
6-3. Устройство и работа основных блоков БУРТ-016.226
Глава 7* СИСТЕМА АВТОМАТИЗИРОВАННОГО УПРАВЛЕНИЯ ТЯГОВЫМИ И ТОРМОЗНЫМИ
РЕЖИМАМИ ЭЛЕКТРОПОЕЗДОВ ЭТ2, ЭТ2М, ЭД4М..............245
7. Г Общие сведения о системе автоматизированного управления электропоездом.......................245
7.2 Работа силовой схемы и системы управления в тяговом и тормозном режимах..........................248
7.3 Устройство и работа блока регулятора ускорения БРУ.253
7.4 * Устройство и работа блока управления торможением БУТ (САУТ)......................................260
7.5 Алгоритм управления выпрямителем цепи возбуждения..264
7.6 * Устройство и принцип действия основных элементов блока БУГ (САУТ)................................266
7.7 * Датчики тока ДТЯ, ДТЯ1, ДТВ...............274
Глава 8* СИСТЕМА АВТОМАТИЗИРОВАННОГО
УПРАВЛЕНИЯ ТЯГОВЫМИ И ТОРМОЗНЫМИ РЕЖИМАМИ ЭЛЕКТРОПОЕЗДОВ ЭР9Т, ЭД9Т............277
8.1 * Функциональные схемы силовых цепей и системы управления электропоездов....................277
8.2 * Система автоматизированного управления режимами тяги и реостатного торможения..........................282
8.3 * Функциональная схема системы автоматического управления реостатным торможением БУТР..........289
8.4 * Устройство и принцип действия элементов системы управления реостатным торможением.......293
Рекомендуемая литература........................297
Учебное издание
Якушев Алексей Яковлевич
АВТОМАТИЗИРОВАННЫЕ СИСТЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ ЭЛЕКТРИЧЕСКИМ ПОДВИЖНЫМ СОСТАВОМ
Учебное пособие
Подписано в печать 15*02.2015 г.
Формат 60x84/16* Печ* л. 19,0. Тираж 525 экз. Заказ ФГБОУ «Учебно-методический центр по образованию на железнодорожном транспорте»
105082, Москва, угг. Бакунинская, д. 71
Тел.: +7(495)739-00-30, e-mail: info@umczdt.ru;
http: //www.umczdt* ru
Для заметок
Для заметок