УСТРОЙСТВО РЕГУЛИРОВАНИЯ НАПРЯЖЕНИЯ ВСПОМОГАТЕЛЬНОГО ГЕНЕРАТОРА ПОСТОЯННОГО ТОКА ТРАНСПОРТНОГО СРЕДСТВА

Полезная модель относится к электрооборудованию транспортных средств, в частности к устройствам регулирования напряжения вспомогательного тока транспортного средства, например, тепловоза.
Заявляемое устройство регулирования напряжения предназначено для стабилизации напряжения на выходе вспомогательного генератора тепловоза с напряжением бортовой сети НОВ с точностью ±1% и устанавливается в модернизируемых тепловозах, оборудованных автоматическими системами управления и регулирования.
При создании конструкции данного устройства ставились задачи, связанные с модернизацией управляющего электрооборудования тепловозов, а именно, разработанное техническое решение должно обладать:
- возможностью управления с пульта оператора ЭВМ в тепловозах, оборудованных микропроцессорной системой управления;
- возможностью оптимизации параметров регулирования путем изменения программы процессора регулятора с использованием дополнительного разъема на панели регулятора напряжения вспомогательного генератора (РНВГ) для подключения программатора;
- повышенной моральной стойкостью и способностью к дальнейшей модернизации, не требующей значительных затрат времени и средств.
Широко известны различные конструкции регуляторов напряжения, используемые в генераторных установках транспортных средств. Известные по предшествующему уровню техники конструкции регуляторов напряжений, как правило, используются автономно, весьма консервативны
в части изменения функциональной схемы, и попытки их модифицировать для использования в автоматизированных сложных объектах приводят к значительным затратам времени и средств.
Так, известны импульсные регуляторы напряжения [1, 2], предназначенные для использования в генераторных установках транспортных средств, каждый из которых содержит измерительное звено, источник опорного напряжения, подключенные между плюсовыми и минусовыми проводами регулятора, схему сравнения, входы которой подсоединены к выходам источника опорного напряжения и измерительного звена, силовой транзистор, эмиттер которого подключен к плюсовому проводу, управляемый мультивибратор, элемент И, катушка индуктивности, диод, конденсатор, частотный компаратор и датчик частоты искрообразования.
В данных известных изобретениях решена задача повышения точности поддержания напряжения бортовой сети автотранспорта, за счет того, что использование импульсного источника с инвертированием напряжения в схеме регулятора позволило снизить мощность, рассеиваемую на силовом транзисторе. Однако возможностью обеспечения высокого качества регулирования напряжения и достаточной надежности, а тем более возможностью использования в автоматизированных сложных транспортных объектах данные конструкции не обладают.
Известно устройство автоматического регулирования параметров тепловоза - бесконтактный регулятор напряжения БРН-ЗВ [3], предназначенный для поддержания напряжения вспомогательного генератора тепловоза (75±1)В в рабочем диапазоне изменения частоты вращения и тока нагрузки якоря.
Данный регулятор напряжения состоит (см. фиг.1) из измерительного и регулирующего органов. В состав измерительного органа входят стабилитроны Д3, Д6, Д4, Д5, транзисторы T1, T2, Т3, резисторы R1, R3, R4, R5, потенциометр R2 и конденсатор С1.
Измерительный орган собран по мостовой схеме с транзистором Т1 в диагонали моста.
Напряжение на стабилитроне Д3 (Д6) сравнивается с напряжением на резисторе R3 и части резистора R2 (между движком резистора R2 и «минусом» схемы), пропорциональным напряжению вспомогательного генератора. Стабилитрон Д6 является резервным. Потенциометр R2 служит для настройки регулятора на заданное напряжение.
Регулирующий орган состоит из тиристоров Т4, Т5, диодов Д8-Д13, Д16, Д18, резисторов R6-R9, стабилитронов Д14, Д15, Д17, дросселей Др1, Др2 и конденсаторов С2-С4. Нагрузкой регулирующего органа является обмотка возбуждения вспомогательного генератора.
Регулирующий орган представляет собой мультивибратор (фиг.3) на тиристорах Т4, Т5. При появлении напряжения на обмотке возбуждения появляется напряжение на аноде тиристора Т4, тиристор Т4 открывается. Конденсатор С2 заряжается. При определенном напряжении заряда конденсатора С2 открывается тиристор Т5. Конденсатор разряжается через открывшийся тиристор Т5, при этом напряжение обратной полярности прикладывается к тиристору Т4, и он закрывается. Начинается перезаряд конденсатора С2 через обмотку возбуждения и открытый тиристор Т5. В результате тиристор Т4 открывается, а тиристор Т5 закрывается разрядным током конденсатора С2. Процесс повторяется многократно. Устанавливается режим автоколебаний с частотой, определяемой резистором R7 и конденсатором С2.
В схеме управления регулятор работает следующим образом. После пуска дизеля напряжение вспомогательного генератора увеличивается пропорционально частоте вращения якоря. Между движком потенциометра R2 и «минусом» схемы появляется напряжение вспомогательного генератора. При этом к переходу база-эмиттер транзистора Т1 прикладывается разность потенциалов между движком потенциометра R2 и анодом стабилитрона Д3. Когда напряжение вспомогательного генератора
достигнет 75В, открывается транзистор Т1, что приводит к открытию транзисторов Т2 и Т3. Открытый транзистор Т3 шунтируется переход управляющий электрод-катод тиристора Т4.
Ток управления тиристора Т4 резко уменьшается благодаря наличию стабилитрона. При этом тиристор Т4 включиться не может. Это приводит к уменьшению тока возбуждения и снижению напряжения вспомогательного генератора. Напряжение снижается до тех пор, пока напряжение в измерительной диагонали моста, т.е. на входе транзистора Т1, не уменьшится настолько, что транзистор Т1, а следовательно, и транзисторы Т2 и Т3 закрываются. После этого тиристор Т4 открывается, и процесс повторяется.
Процесс регулирования напряжения вспомогательного генератора имеет колебательный характер, частота которого определяется его электрическими и механическими параметрами.
Основным недостатком данного известного регулятора является значительные затраты средств и времени при возможной его модернизации для использования в тепловозах, оборудованных микропроцессорной системой управления. Кроме этого, данная известная конструкция недостаточно надежна и не обеспечивает высокое качество регулирования напряжения.
Известен предназначенный для тепловоза 2ТЭ116 регулятор напряжения тиристорный [4], который предназначен для поддержания в заданных пределах напряжения стартер-генератора (вспомогательного генератора) в генераторном режиме при изменениях в широких пределах его частоты вращения и нагрузки и состоит из измерительного и регулирующего органов. Принципиальная электрическая схема этого устройства приведена на фиг.2.
В измерительном органе происходит сравнение регулируемого напряжения с эталонным. Он включает в себя стабилитроны Д21-Д24, на которых формируется эталонное напряжение, подключенные к делителю
напряжения R15, R1, R2, R3, питающемуся от стартер-генератора. Регулирующий орган преобразует поступающий с измерительного органа сигнал в серию импульсов, коэффициент заполнения которых пропорционален величине этого сигнала. Регулирующих орган состоит их двух мультивибраторов, собранных на тиристорах.
Вспомогательный мультивибратор собран на тиристорах Т1 и Т2 основной мультивибратор - на тиристорах Т1 и Т3-Т4 и выполняет функции модулятора ширины импульсов. Тиристор Т4 этого мультивибратора является одновременно выходным усилителем мощности. Тиристор Т3 обеспечивает открытие тиристора Т4 при пониженном напряжении аккумуляторной батареи во время пуска дизеля. С выхода усилителя импульс поступает в обмотку возбуждения стартер-генератора, где демодулируется с помощью диода Д8.
Регулятор напряжения работает следующим образом. При включении контактора КРН2, его главные контакты подают напряжение от аккумуляторной батареи на стабилитроны Д25-Д30 и Д31-Д35, включенные в цепи управления тиристорами Т2 и Т3 соответственно.
Происходит пробой указанных стабилитронов и возникающие при этом токи управления открывают оба тиристора. При открытии тиристора Т3 его анодный ток, проходя по цепи управляющего электрода тиристора Т4, в свою очередь открывает последний. При открытии тиристора Т4 тиристор Т3 закрывается, так как напряжение на нем становится меньше напряжения включения. Открытие тиристоров Т2 и Т4 создает цепи заряда конденсаторов С2 и С3-С4 и они заряжаются до напряжения аккумуляторной батареи.
После пуска дизеля контактор регулятора напряжения (КРН) подает питание на обмотку возбуждения статер-генератора, где появляется нарастающее напряжение. Схема регулятора рассчитана так, что при открытом тиристоре Т4 возбуждение достигает величины, при которой напряжение стартер-генератора превышает НОВ. При напряжении выше
НОВ происходит пробой стабилитронов Д21-Д24 в цепи управляющего электрода тиристора Т1 и последний открывается. После открытия тиристора Т1 напряжение конденсаторов С3, С4 оказывается приложенным к тиристору Т4 в обратном направлении и поэтому тиристор Т4 закрывается. Одновременно через открывшийся тиристор Т1 напряжение конденсатора С2 закрывает тиристор Т2. Конденсатор С2, разрядившись, перезаряжается от источника питания через тиристор Т1 и резисторы R6, R7. При напряжении на конденсаторе С2, достаточном для пробоя стабилитронов Д25-Д30, открывается тиристор Т2. Разрядный импульс конденсатора С2 закрывает тиристор Т1. После окончания разряда конденсатора С2 тиристор Т1 снова открывается и зарядный импульс конденсатора С2 закрывает тиристор Т2.
Таким образом, в мультивибраторе, собранном на тиристорах Т1 и Т2, возникают автоколебания с частотой f1, определяемой постоянной времени цепи разряда конденсатора С2. При закрытии тиристора Т4 в обмотке возбуждения стартер-генератора возникает э.д.с. сажаясь через диод Д8. Уменьшение тока возбуждения приводит к снижению напряжения стартер-генератора. Когда оно станет несколько меньше НОВ, то напряжение на входе цепи управления тиристором Т1 становится недостаточным для пробоя стабилитронов Д21-Д24 и тиристор Т1 закрывается. Автоколебания вспомогательного мультивибратора прекращаются. С этого момента тиристор Т2 остается открытым, создавая цепь заряда конденсатора С2 через резисторы R5-R16. В процессе заряда конденсатора потенциал зажима 3 становится благодаря диоду Д2 выше потенциала измерительного органа и, когда он станет достаточным для пробоя стабилитронов Д31-Д35, открывается тиристор ТЗ, затем Т4. ток возбуждения увеличивается и напряжение стартер-генератора снова повышается, становясь несколько выше 110В. Далее процесс повторяется.
Таким образом, при установившемся напряжении стартер-генератора возникает устойчивый автоколебательный режим мультивибратора
на тиристорах Т1 и Т3-Т4 с частотой колебаний f2, определяемой параметрами цепи возбуждения генератора и схемы регулятора напряжения.
Среднее значение тока возбуждения стартер-генератора зависит от длительности открытого и закрытого состояния тиристора Т4 или от так называемой скважности импульсов тока через тиристор Т4. Чем меньше скважность этих импульсов, т.е. чем больше времени открыт тиристор, тем больше среднее значение тока возбуждения. При увеличении частоты вращения якоря стартер-генератора скважность импульсов тока через тиристор Т4 увеличивается, а среднее значение тока возбуждения уменьшается.
Чем точнее работа измерительного органа, чем быстрее действует система, тем меньше амплитуда колебаний напряжения относительно номинального.
Недостатки этого регулятора напряжения состоят в следующем. Применение тиристоров в указанном известном регуляторе напряжения позволило сделать качественный скачок в развитии силовой электроники. Однако присущие им недостатки в дальнейшем стали сдерживающими факторами в этой области.
Принципиальными недостатками тиристоров является неполная управляемость и сравнительно низкое быстродействие. Это проявляется в необходимости принудительной коммутации тиристора при его выключении.
В результате усложняется управление регулятором напряжения, а дальнейшая модернизация этой конструкции потребует значительных затрат времени и средств.
Наиболее близким по технической сущности к заявляемому объекту является регулятор напряжения вспомогательного генератора, изготовленные по конструкторской документации ОАО «Пензенского завода точных приборов» [5], структура которого показана на фиг.4.
Этот регулятор является комплектующим изделием тепловоза, предназначен для стабилизации напряжения стартер-генератора тепловозов с напряжением бортовой сети НОВ и включает разъем для подключения регулятора к электрическим цепям тепловоза, ячейку управления и ячейку ключа (фиг.4). Ячейка управления содержит источник питания, формирователь ШИМ-сигнала, генератор пилообразного напряжения (опорный генератор), схему управления защитной бортовой сети от забросов напряжения. Ячейка ключа включает усилитель мощности, силовой транзистор, тиристор короткозамыкателя, реле управления тиристором. Силовой ключ выполнен в виде шести параллельно включенных полевых транзисторов типа KII809A(VT3A1). Каждый силовой транзистор управляется индивидуально усилителем мощности.
Эти регуляторы напряжения могут применяться в составе микропроцессорной системы управления тепловозов.
Недостатки этого регулятора мощности обусловлены следующими причинами.
Используемые в силовом ключе резистора полевые транзисторы имеют значительную мощность, потребляемую на управление и сравнительно низкое быстродействие. Силовой ключ, выполненный на полевых транзисторах, испытывая в регуляторе самые максимальные динамические и статические электрические нагрузки, быстро выходит из строя. Это говорит о том, что данный регулятор не обладает достаточной надежностью, в настоящий момент морально устарел и не удовлетворяет жестким требованиям по экономии энергии.
В настоящее время требуется применение новейших силовых полупроводниковых приборов с высокими скоростями переключения, малыми коммутационными потерями и минимальной мощностью управления.
Задача, на решение которой направлено данное техническое решение состоит в создании конструкции устройства регулирования напряжения
вспомогательного генератора транспортного средства, отличающейся от известных простотой и оригинальностью схемотехнического решения, низкими потерями электроэнергии и высокой надежностью и безопасностью в работе за счет обеспечения возможностей его управления с пульта оператора ЭВМ в тепловозах, оборудованных микропроцессорной системой управления и оптимизации параметров регулирования путем изменения программы процессора регулятора напряжения вспомогательного регулятора путем введения дополнительного разъема для подключения программатора, а также повышение моральной стойкости устройства за счет применения силовых полупроводниковых приборов последнего поколения. При этом должно быть обеспечено достижение следующих технико-экономических результатов:
- улучшение технических и эксплуатационных характеристик;
- высокая надежность;
- энергосберегающая схемотехника;
- возможность эксплуатации в широком диапазоне климатических условий;
- высокая степень защиты от аварийных ситуаций в дорожных условиях эксплуатации;
- пожаробезопасность;
- длительный безаварийный срок службы.
Предлагается устройство регулирования напряжения вспомогательного генератора постоянного тока транспортного средства, содержащее первый разъем для подключения к внешним соединениям транспортного средства следующими контактами: первым - к плюсовому проводу аккумуляторной батареи, вторым - к якорю вспомогательного генератора, третьим - к обмотке возбуждения вспомогательного генератора, объединенными четвертым и пятым - к минусовому проводу аккумуляторной батареи, шестым - к информационному выходу сигнала об автоматическом срабатывании защиты регулятора, седьмым - к управляющему
сигналу внешнего управляющего устройства, а также подключенный своим входом к первому контакту источник питания и соединенные с его выходами измерительную цепь и регулирующую цепь, которая включает последовательно соединенные усилитель мощности и силовой ключ, выход которого соединен с третьим контактом первого разъема.
Достижение указанных технических результатов обеспечивается за счет того, что устройство снабжено вторым разъемом для подключения к программатору и третьим разъемом для соединения с бортовым компьютером транспортного средства, а измерительная цепь выполнена в виде последовательно соединенных своими выходами резисторного делителя напряжения, изолирующего усилителя и микроконтроллера с первым, вторым, третьим и четвертым входами и первым и вторым выходами, а также первого и второго элементов гальванической развязки, схемы защиты от перенапряжения, индикатора срабатывания защиты и цифрового индикатора напряжения вспомогательного генератора транспортного средства, причем вход резисторного делителя напряжения и вход цифрового индикатора напряжения генератора соединены со вторым контактом первого разъема, с седьмым контактом которого соединен через первый элемент гальванической развязки второй вход микроконтроллера, третий и четвертый входы которого подсоединены ко второму и третьему разъемам соответственно, а первый управляющий выход микроконтроллера через второй элемент гальванической развязки соединен со входом усилителя мощности измерительной цепи, при этом второй выход микроконтроллера соединен с первым входом схемы защиты от перенапряжения, первый выход которого соединен с входом силового ключа регулирующей цепи, а выход силового ключа подключен к третьему контакту первого разъема, при этом второй выход схемы защиты от перенапряжения соединен через индикатор срабатывания защиты с шестым контактом первого разъема, а второй вход схемы защиты от перенапряжения соединен с пятым контактом первого разъема,
причем первый вход схемы защиты от перенапряжения соединен со вторым выходом микроконтроллера.
Заявленное техническое решение может быть признано соответствующим требованиям новизны, поскольку не обнаружен аналог, характеризующийся признаками, идентичными всем существенным признакам предлагаемого объекта защиты.
Техническое решение можно признать имеющим изобретательский уровень, поскольку оно для специалиста явным образом не следует из уровня техники.
Заявляемое техническое решение соответствует требованию промышленной применимости, поскольку оно изготавливается, в настоящее время проходит опытные испытания, после чего предполагается подготовка изделия по данному техническому решению к серийному выпуску.
Сущность заявляемого устройства и схемы противопоставленных аналогов и прототипа представлены на следующих чертежах:
- фиг.1 - принципиальная схема регулятора напряжения БРН-ЗВ (аналог);
- фиг.2 - принципиальная электрическая схема регулятора напряжения РНТ-6 (аналог);
- фиг.3 - схема мультивибратора регулятора напряжения БРН-ЗВ (к фиг.1);
- фиг.4 - структурная схема регулятора РНВГ с внешними связями (ПРОТОТИП);
- фиг.3 - структурная схема заявляемого устройства регулирования напряжения вспомогательного генератора постоянного тока;
- фиг.6 - блок-схема заявляемого устройства;
- фиг.7 - принципиальная схема измерительной цепи заявляемого устройства регулирования напряжения вспомогательного генератора постоянного тока;
- фиг.8 - принципиальная схема регулирующей цепи устройства регулирования напряжения вспомогательного генератора постоянного тока.
Заявляемое устройство 1 регулирования напряжения вспомогательного генератора постоянного тока транспортного средства содержит (см. фиг.5, 6, 7) первый разъем 9 для подключения к внешним соединениям транспортного средства следующими контактами: первый - к плюсовому проводу аккумуляторной батареи, вторым - к якорю 7 вспомогательного генератора 5, третьим - к обмотке возбуждения вспомогательного генератора, объединенными четвертым и пятым - к минусовому проводу аккумуляторной батареи (на фиг.не показан), шестым - к информационному выходу сигнала об автоматическом срабатывании защиты регулятора, седьмым - к управляющему сигналу внешнего управляющего устройства, а также подключенный своим входом к первому контакту первого разъема 9 источник питания 4 и соединенные с его выходами измерительную цепь 2 и регулирующую цепь 3.
Регулирующая цепь 3 включает последовательно соединенные усилитель мощности 13 и силовой ключ 12, выход которого соединен с третьим контактом первого разъема 9.
Устройство 1 снабжено вторым разъемом 20 для подключения к программатору и третьим разъемом 21 для соединения с бортовым компьютером (на фиг.не показан) транспортного средства. Измерительная цепь 2 выполнена в виде последовательно соединенных резисторного делителя напряжения 14, изолирующего усилителя 17 и микроконтроллера 18 с первым, вторым, третьим и четвертым входами и первым и вторым выходами, первого и второго элементов гальванической развязки 19 и 15, схемы защиты 11 от перенапряжения, индикатора 10 срабатывания защиты и цифрового индикатора 16 напряжения вспомогательного генератора транспортного средства. Вход резисторного делителя напряжения 14 и вход цифрового индикатора 16 напряжения генератора
соединены со вторым контактом первого разъема 9. С седьмым контактом первого разъема 9 через первый элемент гальванической развязки 19 соединен второй вход микроконтроллера 19, третий и четвертый входы которого подсоединены ко второму 20 и первому 21 разъемам соответственно, а первый управляющий вход микроконтроллера 18 через второй элемент гальванической развязки соединен со входом усилителя мощности 13 измерительной цепи 2, при этом второй выход микроконтроллера 18 соединен с первым входом схемы защиты 11 от перенапряжения, первый выход которого соединен с входом силового ключа 12 регулирующей цепи 3. Выход силового ключа 12 подключен к третьему контакту первого разъема 9.
При этом второй выход микроконтроллера 18 соединен с первым выходом схемы защиты от перенапряжения 11, первый выход которой соединен с входом силового ключа 12 регулирующей цепи, а выход силового ключа 12 подключен к третьему контакту первого разъема 9. Второй выход схемы защиты от перенапряжения 11 соединен с пятым контактом первого разъема 9, а первый вход схемы защиты от перенапряжения соединен со вторым выходом микроконтроллера 18.
Силовой ключ 12 собран с использованием самых совершенных на данный момент устройств силовой полупроводниковой техники - JGBT-транзисторах (биполярных транзисторах с изолированным затвором), а именно, применен транзистор. Благодаря этому обеспечены высокие скорости, переключения и надежность при эксплуатации, малые коммутационные потери и минимальная мощность рассеивания, высокое качество регулирования.
В качестве микроконтроллера 18 применена микросхема АТ9082333-8РУ фирмы «ATMEL». Элементы гальванической развязки 15 и 19 выполнены с использованием оптопары 4N35(730C-04) фирмы «Motorola».
В измерительной цепи использованы микросхемы AD202JN (фирма «Analog Devices»). В регулирующей цепи использована микросхема JR2121 (фирма «International Rectifilier»). Для реализации заявляемого устройства используют известные функциональные элементы.
Принцип работы устройства 1 регулирования напряжения вспомогательного генератора постоянного тока состоит в следующем.
Источник питания 4 понижает напряжение бортовой сети НОВ до напряжения питания схемы управления регулятора +15В и формирует канал с напряжением +5В, необходимый для работы почти всех модулей системы. Подача напряжения +5В инициирует начало выполнения управляющей программы.
Микроконтроллер 18 осуществляет выполнение ряда задач по управлению напряжением - поддерживает постоянным во всех режимах работы дизель-генератора тепловоза напряжение бортовой сети (в данном случае НОВ), при отключении компрессора он снижает напряжение вспомогательного генератора с целью уменьшения его заброса, осуществляет контроль собственной работоспособности и, в случае ее утери, включает резервный регулятор.
Регулирование напряжения вспомогательного регулятора микроконтроллером 18 осуществляется следующим образом. Определяется величина заданного напряжения вспомогательного генератора П3, если она меньше 110В, регулятор ее плавно увеличивает до достижения этого уровня, определяется разница AU между заданным Ц3 и текущим U, значениями напряжения. Если она (AU) положительна, т.е. текущее напряжение меньше заданного, система увеличивает угол открытия транзисторов канала модуля ШИМ, если отрицательна, т.е. текущее значение напряжения вспомогательного генератора больше заданного - уменьшает этот угол. Темп изменения угла будет зависеть от величины AU.
Для работы в составе микропроцессорной системы управления тепловозом регулятор имеет информационный выход «+SF1». При нормальной
работе регулятора, напряжение на выходе «+SF1» колеблется от 0 до +5В. При срабатывании автоматического выключателя регулятора на выходе «+SF1» появляется напряжение бортовой сети (аккумуляторной батареи) +110В (96В) с выходным сопротивлением 10,2 кОм±50%. С выхода «+SF1» сигнал заводится на дискретный вход внешнего управляющего устройства. Таким образом, система управления получает сигнал о срабатывании защиты регулятора и выводит информацию об этом на пульт машиниста.
Данное устройство регулирования напряжения дополнительно снабжено вторым разъемом 20 для подключения возможности оптимизации параметров регулирования путем изменения программы микропроцессора регулятора.
Заявляемая конструкция устройства регулирования напряжения вспомогательного генератора обладает следующими отличиями от известных:
- возможностью управления с пульта ЭВМ в тепловозах, оборудованных центральной микропроцессорной системой управления;
- повышенной моральной стойкостью и способностью к дальнейшей модернизации, не требующих больших затрат средств и времени;
- возможностью оптимизации параметров регулирования благодаря
гибкости в управлении перепрограммирования. При этом обеспечено достижение следующих результатов:
- высокая надежность и безопасность в работе;
- энергосберегающая схемотехника;
- возможность эксплуатации в широком диапазоне климатических условий;
- высокая степень защиты от аварийных ситуаций в дорожных условиях эксплуатации;
- пожаробезопасность;