ЗАЩИТНО-РЕГУЛИРУЮЩИЙ КОМПЛЕКТ ДЛЯ УПРАВЛЕНИЯ РАБОТОЙ ВАГОННОГО ГЕНЕРАТОРА

Область техники, к которой относится полезная модель
Настоящая полезная модель относится к устройствам, обеспечивающим управление электропитанием потребителей железнодорожного пассажирского вагона с использованием внутренних источников, и предназначена для управления зарядом аккумуляторных батарей от подвагонного электрогенератора с самовозбуждением, и отключения потребителей от генератора или аккумуляторных батарей в зависимости от мощности генератора или аккумуляторной батареи в данный момент, управления питанием вагонных потребителей и их защиты от перегрузок и перенапряжений. Оборудование по настоящей полезной модели предназначено для использования в основном как электротехническое оборудование в системах электроснабжения пассажирских вагонов и вагонов-ресторанов.
Уровень техники
Существуют устройства управления и регулирования генератором и электропитанием потребителей на пассажирском вагоне, которые называются блоками типа 2460, см. "Описание и инструкция по эксплуатации электрической установки пассажирских вагонов дальнего следования типов К/КИ, К/КРИ и К/КИ с двухместным купе, Берлин, 1985", Схема 8259.648-935:61/9. Такие комплекты блоков выполняют следующие задачи:
- регулирование напряжения в бортовой сети вагона,
- управление зарядным напряжением аккумуляторной батареи в зависимости от температуры окружающего воздуха;
- регулирование тока батареи,
- регулирование тока генератора,
- регулирование тока генератора в зависимости от температуры его обмотки (ограничение температуры генератора),
- защита при коротком замыкании,
- ограничение тока возбуждения,
- ограничение перенапряжения батареи и генератора,
- защита от пониженного напряжения,
- аварийная защита,
- трехступенчатая защита от минимального напряжения.
Реализация заданных функций производится отдельными блоками, расположенными в пульте управления вагона в отдельных местах. Это существенно удорожает стоимость данного комплекта в целом, т.к. например, в каждом блоке имеется свой источник питания, вместо единого в ЗРК, а также отдельных завершенных конструкций вместо одной общей как у ЗРК. В блоках типа 2460 также присутствует много дублирующих разъемов, проводов, функциональных элементов электрических схем и т.п. Так, например, в этой системе существуют разрозненные блоки: реле нагрузочного тока, расцепитель перенапряжений, регулятор напряжения генератора (РНГ), реле минимального напряжения, блок управления зарядом в зависимости от температуры. Из этого набора, например блок РНГ, не обеспечивает достаточного качества процесса регулирования тока в обмотке возбуждения, что часто приводит к механическим перегрузкам на валу подвагонного генератора, вплоть до излома приводного карданного вала.
Наиболее близкой к полезной модели конструкцией для целей регулирования и управления генератором и электропитанием потребителей является моноблочная система типа 2470.073 изготовления Германии (Устройство управления и регулирования системы автономного энергоснабжения RGA 5-32 кВт типа 2470.073, Техническая информация, Приложения к отдельным томам DTR 918А, Берлин, 1992, Схема 8259.694-934:01/9).
Устройство типа 2470.073 имеет корпус в соответствии с 19-ти дюймовой системой конструктивов и состоит из следующих узлов-модулей, расположенных на отдельных платах:
1. Устройство переключения батареи и место присоединения для диагностики Х52,
2. Входной блок FGE 61,
3. Блок мощности NGL 51,
4. Блок регулирования и управления EGR 51
5. Блок защиты генератора EGS 61,
6. Устройство управления зарядным напряжением в зависимости от температуры ЕВТ 71,
7. Блок электроснабжения GSN 51,
8. Блок электронной защиты от минимального напряжения FLS 73 (3 шт.)
Габаритные размеры устройства типа 2470.073 (ширина*высота*глубина) 500*190*250 мм; вес - не более 13 кг.
Недостатки устройства типа 2470.073:
- значительный вес и габариты (базового конструктива устройства регулирования и управления) по сравнению с ЗРК;
- регулятор напряжения генератора, управляющий силовым ключом, соединенным с обмоткой возбуждения генератора, недостаточно надежен;
- большое число модулей (плат) узла защиты по минимальному напряжению;
- отсутствие гальванической развязки входных сигналов по току;
- отсутствие встроенной системы диагностики исправности устройства типа 2470, и необходимость снятия устройства типа 2470 с вагона для ревизии и проверки, либо наличие переносного диагностического устройства;
- отсутствие кросс-платы, и как следствие низкое качество внутреннего монтажа;
Раскрытие полезной модели
Задачей настоящей полезной модели является предоставление устройства, которое имеет сниженные габариты и массу, надежный регулятор напряжения генератора, управляющий силовым ключом, соединенным с обмоткой возбуждения генератора. Дополнительной задачей полезной модели является обеспечение гальванической развязки токовых входных сигналов регулятора напряжения генератора и выхода генератора.
Указанная задача решается применением защитно-регулирующего комплекта (ЗРК) с элементами диагностики, установленного в железнодорожном вагоне (предпочтительно, пассажирском) с возможностью соединения с вагонным генератором, имеющим обмотку возбуждения, и подключения к бортовой сети электрического питания и/или аккумуляторной батарее и содержащего силовой (электрический) ключ, установленный с возможностью подачи электрического напряжения бортовой сети электрического питания на обмотку возбуждения генератора, и регулятор напряжения генератора, установленный с возможностью управления работой силового ключа в зависимости от выходного напряжения и/или тока генератора.
При подаче электрического напряжения бортовой сети электрического питания на обмотку возбуждения генератора, электрическое напряжение на выходе генератора начинает нарастать до величины, соответствующей скорости вращения вала генератора, а значит, и скорости движения вагона. Так как генератор обладает некоторой инерционностью изменения выходного электрического напряжения, то оно будет нарастать постепенно в течение некоторого времени, задаваемого характеристиками генератора. Определение временных характеристик изменений выходного напряжения генератора может определяться опытным путем.
Силовой ключ, входящий в состав ЗРК, замыкается в начале периода подачи электрического тока в обмотку возбуждения генератора, и размыкается в конце этого периода. В этом случае напряжение на выходе генератора плавно изменяется и в установившемся режиме будет соответствующим или пропорциональным скорости вращения вала генератора и моменту на валу генератора.
В другом варианте силовой ключ может замыкаться на короткий промежуток времени, и если он меньше, чем время изменения напряжения на выходе генератора в ответ на изменение тока в обмотке возбуждения, то выходное напряжение генератора будет достигать меньшей величины, чем в случае долговременного замыкания ключа. В случае кратковременного замыкания ключа величина напряжения на выходе генератора зависит от длительности периода замыкания, и при периодическом повторении кратковременных замыканий ключа с определенной частотой оно будет удерживаться с некоторыми отклонениями на постоянном уровне, отличном от уровня, достигаемого при постоянном замыкании ключа в зависимости от скорости вращения вала генератора.
Частота повторения замыканий ключа выбирается исходя из инерционных характеристик генератора так, чтобы отклонения выходного напряжения от постоянного уровня напряжения (колебания напряжения) имели пренебрежимую величину. Уровень выходного напряжения генератора регулируется длительностью замыкания силового ключа относительно периода повторения замыкания, такой способ регулирования напряжения называется широтно-импульсной модуляцией (ШИМ). Применение ШИМ для регулирования напряжения обеспечивает возможность плавного регулирования напряжения.
Для того, чтобы регулировать уровень выходного напряжения, ЗРК содержит регулятор напряжения генератора, установленный с возможностью управления силовым ключом в зависимости от заданного выходного электрического напряжения и фактического электрического напряжения на выходе генератора. Регулятор напряжения генератора выполнен с возможностью управления силовым ключом по способу широтно-импульсной модуляции таким образом, что при начале движения вагона напряжение на выходе и ток нагрузки генератора плавно нарастали до заданной величины, после чего удерживались на заданном уровне. Роль нагрузки на выходе генератора выполняют подключенные к нему потребители электроэнергии и аккумуляторная батарея.
ЗРК с ШИМ-регулированием обладает такими преимуществами, как сниженные массо-габаритные показатели и малые тепловые потери при обеспечении плавности, точности и надежности регулирования напряжения. При периодической коммутации силового ключа, входящего в состав ЗРК, появляются электромагнитные импульсы, Для исключения их влияния на окружающую среду ЗРК снабжен средствами экранирования, причем между средствами экранирования и металлическим корпусом железнодорожного вагона предусмотрено электрическое соединение. В предпочтительном варианте средства экранирования представляют собой металлический корпус ЗРК. В предпочтительном варианте электрическое соединение между металлическим корпусом ЗРК электрического напряжения и металлическим корпусом вагона выполнено путем закрепления ЗРК на металлическом корпусе железнодорожного вагона болтовым соединением.
Согласно полезной модели, силовой ключ может быть выполнен с использованием, по меньшей мере, одного высоковольтного сильноточного полевого транзистора. В предпочтительном варианте силовой ключ выполнен с использованием трех параллельно соединенных высоковольтных сильноточных полевых транзисторов.
В одном из вариантов силовой ключ содержит диод для коммутации реактивного тока обмотки при открытии силового ключа.
ЗРК содержит стабилизированный источник питания, установленный с возможностью питания регулятора напряжения генератора и/или управления силовым ключом.
ЗРК также содержит стабилизированный источник опорного напряжения.
В одном из вариантов осуществления полезной модели ЗРК содержит датчик тока, подающий сигнал, пропорциональный величине выходного тока генератора, в регулятор напряжения генератора. В предпочтительном варианте датчик тока является бесконтактным и может представлять собой датчик тока компенсационного типа, основанного на эффекте Холла. ЗРК предпочтительно содержит три датчика тока компенсационного типа, основанных на эффекте Холла.
В предпочтительном варианте осуществления полезной модели регулятор напряжения генератора осуществляет регулирование в зависимости от тока нагрузки генератора и/или тока заряда аккумуляторной батареи и/или тока в обмотке возбуждения.
В одном из вариантов регулятор напряжения генератора выполнен с возможностью ограничение максимального тока генератора, в дополнительном варианте регулятор напряжения генератора выполнен с возможностью ограничения максимального тока заряда аккумуляторной батареи.
В предпочтительном варианте регулятор напряжения генератора осуществляет регулирование в зависимости от температуры аккумуляторной батареи, которая определяется по температуре воздуха в аккумуляторном ящике.
Техническим результатом полезной модели является обеспечение возможности регулирования выходного электрического напряжения генератора по способу широтно-импульсной модуляции, что дает такие преимущества, как увеличение надежности работы регулятора напряжения генератора, управляющего силовым ключом, соединенным с обмоткой возбуждения генератора, сниженные тепловые потери и уменьшенные массо-габаритные показатели (примерно в 4 раза). Использование бесконтактного датчика тока (на эффекте Холла) обеспечивает гальваническую развязку входного сигнала регулятора напряжения генератора и выхода генератора.
Осуществление полезной модели
Несущая конструкция каждого из типов ЗРК определена особенностями энергоустановки и, соответственно, моделью распределительного шкафа пассажирского вагона. Всего реализовано три базовых вида механической несущей конструкции: для вагонов с умформером DUGG28, для пассажирских купейных вагонов с установкой RGA4, для вагонов-ресторанов с установкой RGA4. Для замены измерительных шунтов в установках RGA4 используется отдельный блок - панель датчиков тока. На данных трех конструкциях реализовано 6-ть базовых вариантов исполнения комплектов ЗРК. Каждый вариант реализации ЗРК имеет определенное наполнение однотипными модулями-блоками, выполненными на отдельных печатных платах. Всего имеется 8-мь модулей-блоков для конструкции ЗРК, выполняющих определенную завершенную функцию.
1. ИП - Источник питания
2. РМН (или РМН-3) - Реле минимального напряжения (одно- или трехступенчатое)
3. РНТ - Реле нагрузочного тока
4. СОФ - Сигнализация обрыва фаз
5. УЗ - Управление зарядом
6. РНГ - Регулятор напряжения генератора
7. СК - Силовой ключ
8. ЭЗ - Электронная защита
Комплектность определенными модулями ЗРК определяется их функциональной потребностью и зависит в итоге от варианта исполнения ЗРК.
ЗРК, представляющее собой сборный каркас стандарта "Евромеханика", болтовым соединением закреплено на сварной несущей раме (вариант ЗРК-2460.00.00/06) или на профилированном стальном листе (варианты ЗРК-2460.00.00/01-……/05). В каркасе установлены направляющие для фиксации печатных плат модулей и переходная кросс-плата с разъемами для электрического соединения схем электронных модулей. Позиция каждого модуля промаркирована шильдиком; соединительные разъемы модулей и кросс-платы снабжены механическими ключами-блокировками, предотвращающим неправильную установку модуля. В лицевых панелях модулей имеются винты в пластиковых держателях для жесткого крепления модуля в отведенной позиции.
В комплекте ЗРК-2460.00.00/06 помимо устройства управления и регулирования на сварной несущей раме в мощном охладителе смонтирован силовой диод противотока генератора; также установлены конденсаторы подавления помех (симметрирующий фильтр) и предохранители (или автоматические выключатели) цепи возбуждения генератора.
Провода с переходной кросс-платы и других точек цепей ЗРК через монтажный короб выведены к соответствующим соединительным клеммам.
Габаритные размеры:
min: (360*200*200) мм (ширина*высота*глубина) мм
max: (500*500*250) мм (ширина*высота*глубина) мм
ВЕС: от 4,5 кг до 20 кг.
Основные функции ЗРК:
1. обеспечение самовозбуждения генератора;
2. регулирование напряжения генератора в зависимости от температуры в аккумуляторных ящиках;
3. ограничение напряжения на заданном уровне при неисправной системе регулирования напряжения генератора в зависимости от температуры;
4. ограничение максимального тока нагрузки генератора;
5. ограничение максимального тока заряда аккумуляторной батареи;
6. регулирование тока нагрузки генератора в зависимости от тока возбуждения (косвенное ограничение вращающего момента);
7. ограничение максимального тока возбуждения генератора;
8. защита от короткого замыкания в обмотке возбуждения;
9. защита от минимального напряжения;
10. защита от перенапряжений;
11. защита и сигнализация при обрыве фазы обмотки генератора переменного тока (при наличии в схеме вагона соответствующих датчиков);
12. формирование сигнала управления при появлении тока нагрузки генератора (в схемах с умформером DUGG-28);
13. обеспечение плавного момента у генератора при его включении и отключении.
ЗРК в отличие от других ранее указанных аналогов, имеет встроенную диагностику, позволяющую с помощью несложной схемы тестировать ЗРК перед вводом в эксплуатацию, а также определять его функциональную исправность в процессе эксплуатации.
Регулятор возбуждения генератора работает по принципу переключающего регулятора с постоянной частотой переключения. Перед обмоткой возбуждения генератора установлен транзисторный прерыватель, работающий с частотой 1 кГц.
Регулируемые величины, как-то: выходное напряжение генератора, ток генератора, ток и температура аккумуляторной батареи, ток возбуждения, определяются измерительными звеньями и датчиками, сравниваются с заданными значениями, усиливаются и обрабатываются соответствующими регулирующими усилителями. Выходное напряжение этих регуляторов подается на вход ШИМ-контроллера схемы РНГ, где сравнивается с пилообразным напряжением частотой 1 кГц. Выходное напряжение того усилителя, измеряемый параметр которого превышает заданное значение, определяет длительность прямоугольного сигнала, вырабатываемого ШИМ-контроллером. Этот прямоугольный сигнал и управляет выше указанным транзисторным прерывателем. В целом, при работающем генераторе обеспечивается такой ток обмотки возбуждения, чтобы поддерживался регулируемый в данный момент параметр.
Для оптимальной и бережной зарядки аккумуляторной батареи используется прямая зависимость тока аккумуляторной батареи от приложенного выходного напряжения генератора. Поэтому производится такое ограничение напряжения генераторной установки, чтобы ток заряда не превышал заданного уровня, согласованного с емкостью аккумуляторной батареи. Также, исходя из основного закона регулирования выходного напряжения генератора, производится оперативное снижение и стабилизация выходного напряжения генератора для ограничения тока заряда аккумуляторной батареи и предотвращения перезаряда аккумуляторной батареи и ее перегрева. В случае дефекта температурного щупа в аккумуляторном ящике (или его отсутствия) автоматически ограничивается максимальное выходное напряжение генератора на уровне 134 В.
Защита привода генератора использует свойство вращающихся синхронных генераторов - при постоянстве выходного напряжения ток возбуждения зависит от скорости вращения ротора и тока нагрузки. Таким образом, благодаря ограничению тока возбуждения в зависимости от тока нагрузки генератора, осуществляется ограничение вращающего момента на валу генератора, при этом ток возбуждения не превышает максимальный уровень, равный для генераторов DCG-4435 - 5А и для умформеров DUGG-28 - 4А.
Защита от минимального напряжения включает нагрузки бортовой сети в зависимости от напряжения и тока нагрузки генератора, и определяется по соотношению выходного напряжения генератора и тока возбуждения, и отключает нагрузку при понижении напряжения ниже установленной нормы.
Если на обмотку возбуждения подается нетактированное напряжение выше 10 В, что говорит о нарушении работы ШИМ-контроллера схемы РНГ или выходе из строя силового ключа, разрывается цепь обмотки возбуждения и на выходе генератора ток становится равным нулю. Аварийная ситуация сигнализируется. Аналогичное действие производится и в том случае, если выходное напряжение генератора длительное время превышает установленный уровень.
Электронное устройство управление и регулирования генераторной установки (ЗРК) состоит из источника питания (модуль ИП), регуляторов напряжения и тока генератора (модуль РНГ) и тока заряда аккумуляторной батареи (модуль УЗ), схемы защиты аккумуляторной батареи от глубокого разряда (модуль РМН), силового транзисторного ключа обмотки возбуждения генератора (модуль СК), схемы защиты от перенапряжений (модуль ЭЗ). Дополнительно в конструктиве устанавливается модуль контроля тока нагрузки генератора (модуль РНТ), при управлении умформером DUGG-28, или схема сигнализации обрыва фазы генератора, при управлении генераторной установкой RGA-4 (модуль СОФ).
Источник питания (модуль ИП) предназначен для снабжения стабилизированными пониженными напряжениями схем ЗРК. Модуль ИП представляет собой высокочастотный конвертор, работающий на постоянной частоте, с помощью которого напряжение аккумуляторной батареи преобразуется в три гальванически-развязанных стабильных напряжения. Причем, принцип действия и схемная реализация позволяют работать модулю ИП с высоким КПД в широком диапазоне входного напряжения.
Модуль РНГ служит для управления и стабилизации выходного напряжения генераторной установки. Схема модуля обеспечивает оптимальное самовозбуждение генератора и регулирование его по вольт-амперной характеристике. Также в задачу модуля входит абсолютное ограничение тока генератора и ограничение вращающего момента приводного механизма, которое достигается ограничением тока возбуждения в зависимости от тока нагрузки генератора. Дополнительной функцией схемы является ограничение максимального тока в цепи обмотки возбуждения генератора.
В целом, схема модуля РНГ представляет собой ШИМ-контроллер, работающий на частоте 1 кГц, коэффициент заполнения которого в каждый момент времени задается регулятором напряжения установки или схемой управления мощностью генератора. Генерируемый сигнал от ШИМ-контроллера модуля СК токовой петлей передается в цепи управления силовым транзисторным ключом модуля СК.
Назначение модуля УЗ заключается в бережной зарядке аккумуляторной батареи, которая достигается стабилизацией тока ее заряда и ограничением конечного зарядного напряжения в зависимости от температуры воздуха в аккумуляторном ящике. Температура в подвагонном аккумуляторном ящике определяется с помощью штатного измерительного шлейфа, состоящего из подводящих проводов и платинового терморезистора с линейной характеристикой, закрепленного непосредственно над секциями аккумуляторной батареи. Электронная схема модуля УЗ формирует и передает в модуль РНГ такие управляющие сигналы, при воздействии которых выходное напряжение генераторной установки снижается настолько, что мгновенное значение тока заряда аккумуляторной батареи не превышает заданного значения, а отрегулированное выходное напряжение генератора снижается по мере ее нагрева.
Выходное напряжение генератора дополнительно контролируется модулем РМН, электронная схема которого производит отключение электрических нагрузок от аккумуляторной батареи вагона, кроме дежурного освещения, при понижении напряжения на ней ниже определенного порога. Для предотвращения звонковой работы генератора модуль РМН обеспечивает гистерезис напряжения подключения и отключения потребителей.
Транзисторная ступень модуля СК осуществляет коммутацию тока в обмотке возбуждения_генератора. Подача и прерывание тока в обмотке возбуждения осуществляется по сигналу от схемы модуля РНГ. Схема модуля СК представляет собой мощный транзисторный прерыватель - силовой ключ, который также обеспечивает замыкание реактивного тока при прерывании тока в обмотке возбуждения. На плате модуля дополнительно размещен бесконтактный датчик тока обмотки возбуждения.
Для предотвращения повреждения электрооборудования вагона повышенным напряжением работу ЗРК контролирует схема модуля электронной защиты ЭЗ. Если по каким-либо причинам напряжение генераторной установки превышает установленный предел или происходит самопроизвольное включение транзисторной ступени модуля СК, контактами исполнительных реле модуля ЭЗ разрывается цепь обмотки возбуждения генератора.
Момент перенятия нагрузки от аккумуляторной батареи на генератор детектируется схемой модуля РНТ, по сигналу которого производится подключение к бортовой сети дополнительной нагрузки. Данный модуль используется только при регулировании умформера DUGG-28.
Модуль сигнализации обрыва фаз СОФ используется при управлении генераторной установкой RGA-4. Его задача состоит в защите генератора от его однофазного режима работы, который наступает при обрыве любого из токоведущих фазных выходных кабелей. Схема модуля СОФ при срабатывании обеспечивает развозбуждение генератора и отключение всех нагрузок от генератора.
На лицевых панелях каждого из модулей ЗРК установлены индикаторные светодиоды и диагностические кнопки. Схемное решение электронных блоков позволяет производить контроль их работоспособности при неподвижном генераторе, а также визуально наблюдать режимы работы генераторной установки.
Ток заряда аккумуляторной батареи и общий ток нагрузки генератора измеряются с помощью бесконтактных датчиков тока компенсационного типа, основанных на эффекте Холла. Токоизмерительные датчики закреплены на соответствующих токоведущих шинах несущей рамы или в позиции измерительных шунтов. Сигналы от датчиков тока свитыми проводами передаются в конструктив к соответствующим модулям регулирования.
Схемы защитно-регулирующего комплекта приводятся в рабочее состояние после постановки переключателя "Режим" распределительного шкафа в одно из трех рабочих положений. В этот момент на схему модуля ИП подается напряжение с аккумуляторной батареи. Если напряжение в бортовой сети выше 60 В, происходит запуск источника питания, о чем сигнализирует свечение индикаторных светодиодов на лицевой панели модуля. В дальнейшем источник непрерывно работает до перевода переключателя "Режим" в положение "Отстой".
При не вращающемся вале генератора управляющие воздействия регулирующих усилителей равны нулю. Поэтому Шим-контроллер РНГ после подачи напряжений питания от аккумуляторной батареи генерирует импульсы управления максимальной длительности.
После начала вращения вала генератора его выходное напряжение через предохранитель подается на входной фильтр модуля СК. При включении силовых транзисторов модуля СК рабочее напряжение через схему модуля защиты ЭЗ прилагается к обмотке возбуждения генератора. После выключения транзисторов модуля СК реактивный ток обмотки возбуждения замыкается обратным диодом (диодом холостого хода).
С увеличением выходного напряжения генератор замещает ток нагрузки аккумуляторной батареи и начинается ее заряд. Если ток заряда аккумуляторной батареи достиг установленного предела, вступает в действие регулятор напряжения платы УЗ. Регулятор управления зарядом подает смещение на вход ШИМ-контроллера схемы РНГ. При этом коэффициент заполнения сигнала управления транзисторной ступенью модуля СК снижается и, соответственно, снижается ток возбуждения генератора. За счет высокого усиления сигнала рассогласования на входе ШИМ-контроллера модуля РНГ оказывается такое воздействие, что мгновенное значение зарядного тока батареи практически не отличается от заданного уровня. Отдельный узел модуля РНГ обрабатывает сигнал рассогласования мостовой схемы, в одно из плеч которой включен измерительный терморезистор. По величине сопротивления терморезистора рассчитывается температура аккумуляторной батареи и задается допустимое выходное напряжение генератора. Протекание зарядного тока аккумуляторной батареи вызывает пропорциональную этой силе тока температуру нагрева электролита в аккумуляторах. Однако, с увеличением температуры электролита аккумуляторной батареи производится снижение напряжения заряда, что приводит к понижению ее тока заряда и к стабилизации температуры аккумуляторной батареи на определенном уровне. По мере заряда напряжение аккумуляторной батареи возрастает и ограничивается на уровне, определенном температурой воздуха в аккумуляторном ящике.
Стабилизацию выходного напряжения генераторной установки производит регулятор напряжения схемы модуля РНГ. На входы регулятора поступает выходное напряжение генератора и управляющий сигнал от модуля УЗ. Здесь рабочее напряжение генератора масштабируется и суммируется со смещением от схемы УЗ. Сумма сигналов усиливается и сравнивается с напряжением уставки, а результат сравнения подается на ШИМ-контроллер модуля РНГ. В ходе функционирования схема регулятора напряжения генератора модуля РНГ, управляя работой транзисторной ступени модуля СК, с высокой точностью поддерживает необходимое выходное напряжение генератора.
Если к бортовой сети вагона подключены мощные потребители, например, кондиционер и вентиляция, и одновременно имеется потребность в большом токе заряда батареи, то при малых скоростях движения будет работать схема регулятора тока генератора модуля РНГ, Элементы регулятора тока суммируют показания датчика тока генератора и датчика тока возбуждения и оказывают необходимое воздействие на ШИМ-контроллер модуля РНГ. При этом, соответственно, регулируется ток катушки возбуждения - с высокой точностью поддерживается сумма показаний этих датчиков тока, благодаря чему постоянно контролируется силовой момент приводного механизма генератора.
В модуле РНГ имеется два интегрированных узла, отслеживающих ток возбуждения и мгновенное напряжение на выходе генератора. При превышении уставок по амплитудному значению тока катушки возбуждения и напряжения на выходе генератора происходит отключение силового ключа в цепи обмотки возбуждения до последующего понижения измеряемых величин. Этими мерами предотвращается воздействие завышенного напряжения генератора на потребителей и осуществляется защита схемы модуля СК от тока короткого замыкания в цепи катушки возбуждения.
Непосредственно защитные функции несет на себе схема модуля ЭЗ. В своем составе модуль имеет мощный релейный расцепитель, включенный последовательно с обмоткой катушки возбуждения, и два бистабильных триггера управления. Элементы схемы после подачи напряжения питания постоянно контролируют рабочее выходное напряжение генераторной установки и напряжение на катушке обмотки возбуждения. Дополнительно схема ЭЗ воздействовует на вход ШИМ-контроллера модуля РНГ. Если одно из контролируемых напряжений превышает после установленной временной выдержки заданный пороговый уровень, производится развозбуждение генератора - контактами исполнительных реле разрывается цепь обмотки катушки возбуждения. При этом реактивный ток катушки обмотки возбуждения замыкается через обратный диод и мощный резистор, благодаря чему происходит ускоренное снижение выходного напряжения. Аварийная ситуация индицируется как светодиодами на лицевой панели, так и сигнальной лампой на щите распределительного шкафа. После устранения неисправности имеется возможность произвести восстановление схемы защиты с последующим запуском генераторной установки. Эту процедуру можно производить при условии вращения вала генератора с незначительной скоростью.
Если в качестве подвагонного генератора используется индукторный генератор переменного тока DCG-4435 и установлены фазные трансформаторы тока, схема ЗРК берет на себя защиту генератора от однофазного режима. Эту функцию выполняет модуль СОФ. Через входные клеммы этого модуля протекает ток вторичных обмоток измерительных трансформаторов. Если в одной из фаз генератора происходит обрыв, с заданной выдержкой времени срабатывает схема СОФ. При этом передается управляющий сигнал к модулю защиты Э3 - происходит развозбуждение генератора прерыванием протекания тока по обмотке катушки возбуждения. Аварийная ситуация индицируется как светодиодами на лицевой панели, так и сигнальной лампой на щите распределительного шкафа. После устранения неисправности имеется возможность произвести возврат схемы защиты в исходное состояние с последующим перезапуском генераторной установки.
Защита батареи от глубокого разряда осуществляется модулем РМН. Схема модуля имеет в своем составе ряд реле, которые управляются триггером. Напряжение батареи сравнивается с установленным уровнем, имеющим необходимый гистерезис. Для предотвращения ложного срабатывания схемы при кратковременных провалах сетевого напряжения, возникающих при подключении мощных потребителей, производится необходимая задержка. Возврат реле после отключения потребителей контролируется сигналом от модуля РНГ. Необходимыми условиями для подключения потребителей к сети являются наличие рабочего напряжения уровнем выше 115 В и запас мощности генераторной установки. В момент включения питания происходит автоматический возврат схемы. Состояние модуля индицируется как светодиодным индикатором на лицевой панели, так и сигнальной лампой распределительного шкафа.
При использовании в качестве устройства регулирования и управления ЗРК системой электроснабжения пассажирского вагона заявленного изобретения имеют место следующие преимущества:
- гальваническая развязка по питанию потребителей постоянного и переменного тока, организованное в стабилизированном источнике питания ЗРК;
- гальваническая развязка входных токовых сигналов с помощью бесконтактных датчиков тока на эффекте Холла;
- обеспечение качественным электропитанием элементов системы управления и регулирования ЗРК с защитой от КЗ, перегрева и т.п.;
- обеспечение данного устройства (ЗРК) элементами встроенной диагностики, позволяющей производить предэксплуатационную диагностику, плановую проверку состояния ЗРК согласно рекомендуемому регламенту работ без снятия ЗРК с вагона;
- наличие кросс-платы на корпусе ЗРК и присоединительного разъема, обеспечивающего повышенное качество внутри блочного монтажа;
- обеспечение универсальности использования блоков-модулей благодаря общему схемотехническому решению ЗРК, позволяющему применять ЗРК на различных пассажирских вагонах с номинальным напряжением в борту 110 В и различными типами подвагонных генераторов переменного или постоянного токов, а также при использовании различных типов аккумуляторных батарей (как минимум трех типов: никель-железных щелочных, никель-кадмиевых щелочных и свинцовых кислотных);
- возможность оперативного перенастраивания ЗРК (в условиях эксплуатации без съема с вагона) на тип генератора, или на тип используемой аккумуляторной батареи;
- обеспечение функции самовозбуждения генератора;
- регулирование напряжения генератора в зависимости от температуры в аккумуляторных ящиках, в том числе обеспечение общей работоспособности ЗРК введением функции ограничения напряжения на заданном уровне при неисправной системе регулирования напряжения генератора в зависимости от температуры или отсутствия датчика температуры в аккумуляторном ящике;
- ограничение максимального тока нагрузки генератора и максимального тока заряда аккумуляторной батареи;
- регулирование тока нагрузки генератора в зависимости от тока возбуждения (косвенное ограничение вращающего момента), ограничение максимального тока возбуждения генератора;
- обеспечение защиты от короткого замыкания в обмотке катушки возбуждения, от перенапряжений в бортовой сети при работающем генераторе, от минимального напряжения при неработающем генераторе приоритетным отключением подключенных к аккумуляторной батарее нагрузок;
- обеспечение формирования сигнала управления при появлении тока нагрузки в схемах вагона с применением генератора постоянного тока;
- защита генератора переменного тока от однофазного режима работы;
- обеспечение плавного момента у генератора при его включении в работу и отключении;
- обеспечение улучшенного дизайна, соответствующего оборудованию пассажирских вагонов повышенной комфортности.