УСТРОЙСТВО ОГРАНИЧЕНИЯ НАПРЯЖЕНИЯ ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЯ ПОСТОЯННОГО ТОКА

Заявляемая полезная модель относится к области электро- и схемотехники и может быть использована в схемах ограничения напряжений электродвигателей или исключения перенапряжений электродвигателей, в первую очередь в отопителях городского электротранспорта - троллейбусах или трамваях.
Известны ограничители напряжения, представленные в патентах: [RU №2275726, №2502169]; [UA №36156]; [US №8035940, 6727525, 6586801, 408532].
Они имеют разный набор элементов в своих схемах, поскольку используются в устройствах разного класса и в разных режимах эксплуатации. Как правило, в них присутствуют: источник опорного напряжения, элементы, входящие в блок сравнения, элементы блоков регулирования, усилители напряжения, фильтр защиты выходного напряжения.
Известно также устройство подавления сетевых помех [патент RU №13729], представляющее собой устройство ограничения напряжения на двух стабилитронах со схемой индикации на светодиодах.
Однако данное устройство характеризуется большой мощностью потребления электроэнергии для любого диапазона напряжений, в которых работают бесколлекторные двигатели отопителей электротранспорта - перспективные устройства, получившие широкое распространение в последние годы как за рубежом, так и на отечественном рынке в силу их надежности и компактности. [Так, в приведенном ниже примере используется электродвигатель на номинальное напряжение 48 В, работающий фактически в диапазоне от 36 до 72 В.] Для них данное устройство ограничения напряжения было бы громоздким по габаритам (в частности, из-за необходимости снимать тепловые нагрузки с элементов схемы с помощью массивных радиаторов), либо оно не будет отвечать требованиям высокой надежности.
Известно также устройство защиты электронных приборов от высоких пиковых напряжений в бортовой сети транспортного средства [патент RU 2502169]. Оно не обеспечивает стабилизации выходного напряжения в силу разрыва цепи питания при превышении порогового значения напряжения.
Одним из наиболее очевидных применений этих устройств является управление напряжением питания вентиляторов электронагревательного оборудования электротранспорта. При высоких напряжениях контактной сети данная схема отключит питание вентилятора при повышенном напряжении блока нагрева, что, безусловно, приведет к практически мгновенному выходу изделия из строя.
Наиболее близким аналогом заявляемой полезной модели является решение, описанное в патенте RU на полезную модель №46594 «Ограничитель напряжения». Данное устройство имеет шины на источник внешнего питания и на нагрузку и включает соединенные между собой его наиболее крупные узлы: источник опорного напряжения, компаратор напряжения, регулирующий элемент, резисторный делитель напряжения, фильтр защиты выходного напряжения от импульсных помех, состоящий из дросселя, конденсатора и стабилитрона.
Устройство имеет также логические элементы и одновибратор.
Однако в данной схеме при реализации ее для заявленного класса устройств количество входящих в схему элементов избыточно, но не обеспечивает необходимых параметров устройства ограничения напряжения электродвигателя, в частности, для электротранспортных средств городского хозяйства по причинам, описанным ниже. Применение в наиболее близком аналоге - в устройстве по патенту [RU 46594 «Ограничитель напряжения»] логического элемента ИЛИ и одновибратора наряду с необходимыми элементами - источником опорного напряжения, усилителем для токовой цепи, регулирующим элементом, резисторным делителем напряжения усложняет схему и увеличивает стоимость устройства. При этом регулирующий элемент устройства работает в ключевом режиме с формированием запирающего импульса регулирующего элемента на одновибраторе с заданной длительностью и не обеспечивает наличия симметричного сигнала на выходе регулирующего элемента, что приводит к ухудшению параметров выходного напряжения.
Задачей полезной модели является многократное снижение суммарного времени воздействия сверхнормативных напряжений контактной сети и паразитных колебаний, а также высоковольтных импульсов на нагрузочное устройство - электродвигатель отопителя городского электротранспорта при возможном снижении габаритов устройства ограничения напряжения.
Сущность заявляемой полезной модели заключается в том, что в устройство ограничения напряжения электродвигателя постоянного тока, включающее электрически соединенные между собой: источник опорного питания, компаратор напряжения, регулятор и делитель напряжения на базе резисторов, фильтр выходного напряжения, состоящий из индуктивности, конденсатора и коммутирующего диода; и имеющее шины питания,
введен фильтр напряжения питания в виде конденсатора;
и шины питания представляют собой - плюсовую с выводами на источник внешнего питания и на нагрузку, входную минусовую с выводом на источник внешнего питания, выходную минусовую - с выводом на нагрузку;
а нижеописанные узлы устройства выполнены следующим образом: источник опорного питания - в виде маломощного стабилитрона, последовательно соединенного с рядом резисторов и параллельно - с фильтром пульсации напряжения,
компаратор напряжения состоит из соединенных между собой дифференциального каскада на двух биполярных транзисторах, параллельной RC-цепи, задающей параметры гистерезиса, и резисторов, делитель напряжения представлен в виде последовательно соединенных двух групп резисторов: низкоомных, соединенных между собой последовательно и высокоомных, соединенных между собой параллельно, регулятор напряжения составлен из нижеуказанных элементов и соединенных: первый резистор - с входом усилителя напряжения на биполярном транзисторе, выход которого подключен через второй резистор к управляющему входу электронного вентиля, соединенного с параллельно включенными третьим резистором и стабилитроном, а свободные выводы названных элементов регулятора напряжения, включая и исток электронного вентиля, выведены на входную минусовую шину, сток последнего - на фильтр выходного напряжения, причем вышеназванные узлы устройства включены: фильтр выходного напряжения - между плюсовой и выходной минусовой шинами питания, фильтр напряжения питания - между плюсовой и входной минусовой шинами питания, источник опорного питания - между плюсовой и входной минусовой шинами питания и подключен к первому входу компаратора напряжения, включенного между плюсовой шиной и регулятором напряжения, а второй вход компаратора подключен к делителю напряжения, включенному между плюсовой и выходной минусовой шинами питания, свободные выводы компаратора напряжения соединены с регулятором напряжения.
Технический результат полезной модели. Промышленная применимость и новизна.
Отличием является основа схемы заявляемого ограничителя напряжения - компаратор, который выполнен в виде дифференциального каскада на двух биполярных транзисторах с эмиттерами и коллекторами, резисторов и RC-цепи. Это сделано для организации гистерезиса -различия напряжений, при которых схема осуществляет переход с одного выходного напряжения на другое и обратно. RC-цепь в заявляемом ограничителе задает параметры гистерезиса.
Заявляемая схема устройства позволила также осуществить введение соответствующим образом в нее электронного вентиля, потребление которого значительно меньше, чем у используемой ранее элементной базы регулирующего элемента, что позволяет снизить тепловые нагрузки (выделяемое тепло) и обойтись без массивных радиаторов, необходимых в аналогах, в том числе и наиболее близком. Это позволяет значительно снизить массогабаритные характеристики и себестоимость схемы модуля ограничения напряжения в целом.
Ограничителя напряжения электродвигателя для отопителя электротранспортных средств, подключаемых к городским электротранспортным сетям, подобной конструкции не обнаружено ни на отечественном рынке производителей, ни на зарубежном. В патентной и другой научно-технической литературе подобных ограничителей обнаружить также не удалось. Вышеназванное делает заявляемое устройство новым и первым для данного класса, в частности, при использовании его для данного типа электроприборов - отопителей салонов и кабин городского электротранспорта данного класса. Заявляемая полезная модель -инновационная разработка для обновляемой продукции троллейбусного завода. По этой причине патентуемое устройство востребовано Заказчиком - отечественным предприятием ЗАО «Тролза»∗ (∗«Троллейбусный завод «Тролза», находящийся в Саратовской области (г. Эпгельс), по масштабам производства не имеет себе равных - сегодня это крупнейший в мире поставщик троллейбусов. По улицам 89 городов России и ряда зарубежных стран: Аргентины, Болгарии, Венгрии, Греции, Колумбии, Сербии, Узбекистана и т.д. курсируют троллейбусы, изготовленные на «Тролзе». Завод имеет возможность выпускать более 2500 троллейбусов в год. Производит троллейбусы с 1951 года, общий выпуск составил более 60 тысяч троллейбусов. Одна из моделей троллейбусов, выпускаемых ЗАО «Тролза» - “ЗиУ-682Г-016”. долгие годы являлась самой выпускаемой в мире». http://www.trolza. ги/), по заданию которого выполнено оригинальное техническое решение и ведется его опытная проверка.
Технический результат заявляемой полезной модели целиком следует из изменений, внесенных авторами в устройство ограничения напряжения:
- введения нового узла на входе схемы - фильтра напряжения питания и выполнение его в виде конденсатора, а также определенным образом установленного в схеме с определенными соединениями других элементов (составляющих) схемы;
- определенного набора элементов в каждом из базовых узлов устройства,
- заявляемого и измененного соединения всех базовых узлов друг с другом в схеме.
Именно конструктивные отличия всех блоков модуля и их соединения в общую схему позволили получить высоконадежный, миниатюрный, легкий по весу, расположенный на печатной плате модуль, что сильно повлияло на габариты электроотопительной техники электротранспорта в сторону их компактности и надежности.
Подробно заявляемое устройство ограничения напряжения описано с помощью электрической схемы (фиг. 1), а также иллюстрации (фото) фиг. 2, на которой представлен вид печатной платы заявляемого устройства. Позициями на фигурах обозначены более крупным шрифтом, заключенным в круг, - узлы устройства, (начиная с цифр 4 по 9 включительно), а более мелким шрифтом - их составляющие, а также шины и другие элементы: 1 - шина питания плюсовая с выводами на источник внешнего питания и на нагрузку;
2 - шина питания входная минусовая с выводом на источник внешнего питания;
3 - шина питания выходная минусовая с выводом на нагрузку;
4 - фильтр напряжения питания;
5 - фильтр выходного напряжения;
6 - источник опорного питания;
7 - компаратор напряжения;
8 - делитель напряжения;
9 - регулятор;
10 - конденсатор фильтра напряжения питания;
11 - катод маломощного стабилитрона источника опорного питания;
12 - анод маломощного стабилитрона источника опорного питания;
13 - фильтр пульсации напряжения;
14 - резисторы источника опорного питания; 15,
16 - резисторы компаратора напряжения;
17 - первая группа резисторов компаратора напряжения;
18 - вторая группа резисторов компаратора напряжения;
19, 20 - базы биполярных транзисторов компаратора напряжения;
21, 22 - эмиттеры биполярных транзисторов компаратора напряжения;
23, 24 - коллекторы биполярных транзисторов компаратора напряжения;
25 - параллельная RC-цепь;
26 - база биполярного транзистора регулятора;
27 - эмиттер биполярного транзистора регулятора;
28 - коллектор биполярного транзистора регулятора;
29 - анод стабилитрона регулятора;
30 - катод стабилитрона регулятора;
31 - управляющий вход электронного вентиля;
32 - исток электронного вентиля;
33 - сток электронного вентиля;
34 - первый резистор регулятора;
35 - второй резистор регулятора;
36 - третий резистор регулятора;
37 - анод коммутирующего диода;
38 - катод коммутирующего диода;
39 - индуктивность;
40 - конденсатор фильтра выходного напряжения;
41, 42 - группа высокоомных резисторов делителя напряжения;
43, 44 - группа низкоомных резисторов делителя напряжения;
45 - опорная монтажная пластина;
46 - перемычка.
Заявляемое устройство ограничения напряжения электродвигателя представляет собой электрически соединенные в одно устройство с помощью шин - плюсовой 1, минусовых - входной 2 с выводом на источник внешнего питания и выходной 3 с выводом на нагрузку элементы: фильтр 4 напряжения питания (новый для заявляемого устройства и отсутствующий у наиболее близкого аналога), фильтр 5 выходного напряжения, источник 6 опорного питания, компаратор 7 напряжения, делитель 8 напряжения, регулятор 9 напряжения.
Фильтр 4 напряжения питания (введенный в схему) выполнен в виде конденсатора 10, который подключен к плюсовой шине 1 питания и входной минусовой шине 2.
Источник 6 опорного питания состоит из маломощного стабилитрона, имеющего катод 11 и анод 12, фильтра пульсации напряжения 13 и последовательно соединенных резисторов 14. При этом катод 12 маломощного стабилитрона и один из выводов фильтра 13 пульсации напряжения подключены к плюсовой шине 1 питания, а анод 11 маломощного стабилитрона, объединенный со вторым выводом фильтра 13 пульсации напряжения через включенные последовательно резисторы 14, подключен к входной минусовой шине 2 питания. Это же соединение подключено к резистору 15 компаратора 7 напряжения.
Компаратор 7 напряжения состоит из соединенных между собой резисторов 15, 16 и из первой и второй группы последовательно соединенных резисторов 17, 18, дифференциального каскада на двух биполярных транзисторах с составляющими элементами баз 19, 20, эмиттеров 21, 22 и коллекторов 23, 24, а также параллельной RC-цепи 25, задающей параметры гистерезиса. Эмиттеры 21, 22 биполярных транзисторов объединены между собой, а также соединены с одним из выводов резистора 16, второй вывод которого соединен с плюсовой шиной 1. Второй вывод резистора 15 соединен с параллельно соединенными элементами RC-цепи 25 и базой 19 биполярного транзистора. Вторые выводы элементов RC-цепи 25 подключены к коллектору 24 биполярного транзистора и группе последовательно соединенных резисторов 17. Коллектор 23 биполярного транзистора подключен ко второй группе последовательно соединенных резисторов 18.
Регулятор 9 выходного напряжения состоит из: усилителя напряжения на биполярном транзисторе с базой 26, эмиттером 27, коллектором 28, стабилитрона с анодом 29 и катодом 30, электронного вентиля с управляющим входом 31, истоком 32, стоком 33, первого 34, второго 35 и третьего 36 резисторов. Один из выводов первого резистора 34 подключен к базе 26 биполярного транзистора усилителя напряжения, причем эти элементы соединены также с первой группой резисторов 17 компаратора 7 напряжения. Коллектор 28 биполярного транзистора усилителя напряжения подключен через второй резистор 35 к управляющему входу 31 электронного вентиля, соединенного с параллельно включенными третьим резистором 36 и стабилитроном, а именно его катодом 30. Второй вывод первого резистора 34, эмиттер 27 биполярного транзистора усилителя напряжения, анод 29 стабилитрона, второй вывод третьего резистора 36 и исток 32 электронного вентиля выведены на входную минусовую шину 2, сток 33 последнего - на фильтр выходного напряжения 5.
Фильтр 5 выходного напряжения состоит из коммутирующего диода с анодом 37 и катодом 38, индуктивности 39 и конденсатора 40. Анод 37 коммутирующего диода подключен к стоку 33 электронного вентиля регулятора 9 выходного напряжения и к одному из выводов индуктивности 40. Катод 38 коммутирующего диода и один из выводов конденсатора 40 подключены к плюсовой шине 1 питания, вторые выводы конденсатора 40 и индуктивности 39 подключены к выходной минусовой шине 3.
В делитель 8 напряжения входят соединенные последовательно две группы резисторов: высокоомных 41, 42 и низкоомных 43, 44. Высокоомные резисторы 41, 42 включены параллельно друг другу, низкоомные резисторы 43, 44 - последовательно между собой. Второй свободный вывод низкоомного резистора 44 подключен к плюсовой шине 1 питания. Одни из выводов высокоомных резисторов 41, 42 объединены между собой и этим соединением подключены к выходной минусовой шине 3. Вторые выводы высокоомных резисторов 41, 42 и свободный вывод низкоомного резистора 43 также объединены между собой и этим соединением подключены к базе 20 биполярного транзистора компаратора 7 напряжения.
Выполнение определенным образом каждого из базовых узлов не ограничивается изменениями, внесенными в схему устройства ограничения напряжения электродвигателя. Соединения узлов в схеме между собой имеют отличия. Фильтр выходного напряжения включен между плюсовой и выходной минусовой шинами питания, фильтр напряжения питания - между плюсовой и входной минусовой шинами питания. Источник опорного питания включен между плюсовой и входной минусовой шинами питания и подключен к первому входу компаратора напряжения, включенного между плюсовой шиной и регулятором напряжения, а второй вход компаратора напряжения подключен к делителю напряжения, включенному между плюсовой и выходной минусовой шинами питания, а свободные выводы компаратора напряжения соединены с регулятором напряжения.
Заявляемое устройство работает следующим образом. При подаче на вход устройства ограничения напряжения минимального напряжения (для наиболее часто используемых в отопителях городского электротранспорта вентиляторах с бесколлекторными двигателями с номинальным питающим напряжением 48 В - это примерно 30 В) на один вход компаратора 7 напряжения поступает опорное напряжение величиной примерно 6,2 В, а на второй вход компаратора 7 напряжения с делителя 8 напряжения поступает примерно 10% входного напряжения (порядка 3 В). Поэтому первый транзистор, подключенный к источнику 6 опорного питания, открыт, а второй закрыт.Ток первого транзистора протекает через резисторы 18 и создает падение напряжения примерно 15 В на стабилитроне, выполняющем роль опорного в регуляторе напряжения, и на управляющем входе 31 электронного вентиля, который открывается и имеет минимальное сопротивление, значительно меньшее 1 Ом в то время, как сопротивление нагрузки ограничителя (например, двигателя, запитываемого через эту схему вентилятора) имеет сопротивление 10÷20÷30 Ом. Поэтому все входное напряжение поступает на выход фильтра 5 практически без потерь, что позволяет обеспечить линейную характеристику устройства ограничения напряжения на участке от минимального входного напряжения до напряжения стабилизации.
При повышении входного напряжения до напряжения стабилизации (примерно 55 В) напряжение на делителе 8 напряжения приближается к уровню опорного напряжения источника 6 опорного питания и открывает транзистор, подключенный к делителю 8 напряжения. Сигнал с выхода компаратора 7 напряжения поступает на вход усилителя регулятора 9 выходного напряжения, транзистор открывается и напряжение на управляющем входе 31 электронного вентиля снижается. Схема приходит в равновесие при стабилизации напряжения на выходе устройства ограничителя напряжения на уровне примерно 54÷56 В. При дальнейшем повышении входного напряжения напряжение стабилизации остается постоянным. Пример.
Одним из наиболее рациональных вариантов исполнения устройства ограничения напряжения является размещение его элементов на печатной плате. Такой способ компоновки элементов позволяет добиться необходимых габаритных размеров устройства, которые требуется обеспечить при конструировании изделий, в том числе, например, отопителей электротранспортных средств, чувствительных к перенапряжениям в контактной сети.
2
Устройство ограничения напряжения выполнено в виде печатной платы с расположенными на опорной монтажной пластине 45 электронными компонентами. Пластина выполнена из стеклотекстолита марки СТЭФ и имеет прямоугольную форму размером 100×40 мм с нанесенными на нее металлическими дорожками для соединения электронных элементов, установленных в специально изготовленных для них отверстиях и закрепленных при помощи пайки. Толщина пластины составляет 1,5 мм. Электронные компоненты расположены максимально компактно с учетом исключения взаимных наводок и теплового влияния друг на друга, а также с учетом расположения самого устройства ограничения напряжения в месте установки, например, в отопителе. Соединение устройства с источником внешнего питания и бесколлекторным двигателем осуществляется с помощью шин из медных проводов сечением 0,75 мм.
На нижней стороне платы расположены следующие устройства: резисторы компаратора 7 и резисторы блока 9 регулирования выходного напряжения, четыре транзистора, контакты каждого из которых ориентированы в четырех разных направлениях. Транзисторы применяются следующих марок: BCP54, MJD350, IRF640NS и выполнены в smd-корпусах для монтажа на поверхность.
На верхней стороне платы установлены в ряд элементы объемного монтажа: электролитический конденсатор (типа К50-35), перпендикулярно оси конденсатора, рядом с его основанием установлены расположенные параллельно: керамический конденсатор (типа КМ 5Б), а также выполненные в корпусах цилиндрической формы маломощный стабилитрон (типа BZX55) и высокоэффективный выпрямительный диод (типа HER302), далее в ряду установлены один за другим следующие элементы: катушка индуктивности (типа SL1018) и электролитический конденсатор (типа К50-35). Расположение конденсаторов на плате таково, что конденсатор с большими размерами (типа К50-35) расположен со стороны проводов питания, конденсатор с меньшими размерами (типа К10-17) расположен вблизи проводов, подсоединяемых к двигателю. Катушка индуктивности, имеющая еще более миниатюрные размеры, расположена между ними.
2
Отдельно от выше описанного ряда электронных компонент в плату впаян диод (типа BZX55). Он расположен вблизи конденсатора типа К50-35. Расположение всех этих элементов на верхней стороне платы дополнено перемычками 46. Они представляют собой провода, установленные вдоль платы, имеющие неодинаковую длину, расположенные на плате параллельно друг другу. Они соединяют контакты элементов на противоположной стороне платы. Сечение проводов 0,5 мм. Вблизи коротких сторон платы выполнены отверстия диаметром 4,2 мм, предназначенные для закрепления (крепежа) платы на кронштейнах внутри отопителя электротранспорта. Расстояние между контактными соединениями установленных на печатной плате электронных компонентов и элементами крепежа составляет не менее 15 мм для обеспечения защиты устройства от пробоя, что проверяется при проведении испытаний устройства в составе отопителя путем подачи в течение одной минуты напряжения величиной более 2 кВ. На печатной плате для исключения ошибок при монтаже нанесена маркировка «+/-U» для подключения к плюсовой и минусовой входных шин и «+/-М» для подключения нагрузки.
Устройство ограничения напряжения такой конфигурации в настоящее время проходит эксплуатационные испытания на механические и климатические воздействия в одном из трамвайно-троллейбусных депо г. Саратова.