МОДУЛЬ УПРАВЛЕНИЯ СТРЕЛОЧНЫМ ЭЛЕКТРОПРИВОДОМ И СПОСОБ УПРАВЛЕНИЯ СТРЕЛОЧНЫМ ЭЛЕКТРОПРИВОДОМ
ELECTRIC DRIVE SWITCH CONTROL MODULE AND ELECTRIC DRIVE MECHANISM CONTROL METHOD

Изобретение относится к железнодорожной автоматике, а именно к способам и устройствам управления стрелочным электроприводом, и может быть использовано в микропроцессорной централизации стрелок и сигналов.
Из уровня техники известно устройство для управления стрелочным электроприводом, содержащее устройство коммутации, линейные провода, автопереключатель, электродвигатель, устройство контроля, при этом в него введен модуль управления электродвигателем, первым, вторым, третьим и четвертым входами устройства являются первый, второй, третий и четвертый входы модуля управления электродвигателем, пятым входом устройства является первый вход устройства коммутации, первый, второй и третий выходы модуля управления электродвигателем подключены ко второму, третьему и четвертому входам устройства коммутации, первый, второй и третий выходы устройства коммутации через линейные провода подключены к первому, второму и третьему входам автопереключателя, четвертый, пятый и шестой выходы устройства коммутации подключены к первому, второму и третьему входам устройства контроля, первым и вторым выходами устройства являются первый и второй выходы устройства контроля (см. патент РФ №2636433, Кл. B61L 7/00, on. в 2017 г.). Это устройство предназначено дистанционного управления местными приводами стрелок сигналов и тормозных башмаков, установленных на путях. Однако, в техническом решении не предусмотрена передача информации на верхний уровень системы микропроцессорной централизации в цифровом виде.
Известно устройство управления стрелочным электроприводом, содержащее линейные провода, электродвигатель, при этом в него введены устройство смены полярности, однофазный выпрямитель, микроконтроллер, шесть электронных ключей, устройство определения полярности, первым и вторым входами устройства являются первый и второй входы устройства смены полярности, третьим и четвертым входами устройства являются третий и четвертый входы устройства смены полярности, первый и второй выходы устройства смены полярности через линейные провода подключены к первому и второму входам однофазного выпрямителя и к первому и второму входам устройства определения полярности, первый выход однофазного выпрямителя подключен ко вторым входам первого, второго и третьего электронных ключей и к первому входу микроконтроллера, второй выход однофазного выпрямителя подключен ко вторым входам четвертого, пятого и шестого электронных ключей и ко второму входу микроконтроллера, первый и второй выходы устройства определения полярности подключены к третьему и четвертому входам микроконтроллера, первый, второй, третий, четвертый, пятый и шестой выходы микроконтроллера подключены к первым входам первого, второго, третьего, четвертого, пятого и шестого электронных ключей, выходы первого и четвертого электронных ключей объединены и подключены к первому входу электродвигателя, выходы второго и пятого электронных ключей объединены и подключены ко второму входу электродвигателя, выходы третьего и шестого электронных ключей объединены и подключены к третьему входу электродвигателя (см. патент на изобретение RU №2632372, Кл. B61L 7/06, оп. в 2017 г.). Это изобретение направлено на повышение надежности работы стрелочного электропривода путем сокращения количества линейных проводов с 5 до 2, осуществления плавного пуска электродвигателя и обеспечения универсальности устройства управления при работе с электродвигателями как переменного, так и постоянного тока.
Недостатком известного устройства является необходимость дооснащения типового электропривода электронными ключами и микроконтроллером, что в условиях эксплуатации в жестких климатических условиях снижает надежность электропривода.
Наиболее близким аналогом является схема для управления и контроля стрелочных приводов с попеременно устанавливаемыми средствами переключения в питающих линиях для задания соответствующего направления движения привода, а также с расположенными последовательно с ними силовыми средствами переключения во всех питающих линиях для подключения и отключения переводного тока и с оценивающим коммутационное положение приводных контактов контролем постоянного напряжения для идентификации соответствующего положения привода, причем для идентификации соответствующего положения привода предусмотрены два срабатывающих на различные потенциалы, совместно контролируемых сигнализатора (M1, М2), к которым приложен общий для сигнализаторов и системы питания переводным током опорный потенциал, для питания сигнализаторов предусмотрены два источника постоянного напряжения (U3, U4), один из которых (U3) лежит одним полюсом (-), а другой другим полюсом (+) на общем опорном потенциале сигнализаторов, и соответственно другие полюсы обоих источников постоянного напряжения и обоих сигнализаторов подведены косвенно через снабжаемые током при переводе привода питающие линии к приводным контактам (АК1 до АК4), причем оба сигнализатора включены соответственно между одной или соответственно другой совместно переключаемыми при переводе привода парами соседних приводных контактов (АК2, АК4 или соответственно АК1, АК3), а оба источника постоянного напряжения - между одной или соответственно другой переключаемыми друг за другом при переводе привода парами соответственно соседних приводных контактов (АК4, АК3 или соответственно АК2, АК1), схема разделена на, по меньшей мере, одну содержащую средства переключения (Rl/1, Ll/1, R2/1, L2/1) для задания соответствующего направления движения и силовые средства переключения (H11/1, Н12/1, Н21/1, Н22/1), входящие в переводной блок (SB), и содержащую, по меньшей мере, сигнализаторы (M1, М2), входящие в контрольный блок (UB), входы и выходы которых выведены независимо друг от друга из содержащего обе части схемы переводного частичного модуля (SM), выходы обеих частей схемы соединены мостиковыми контактами (В1 до В6) для получения заданных зависимостей между функцией перевода и контроля для всех встречающихся типов привода, при этом силовые средства переключения выполнены с возможностью приведения в действие из различных вычислительных каналов управляющей вычислительной системы, причем координация каналов принята так, что в соединенных через обмотки двигателя (Wl, W2, W3) питающих линиях (L1, L2, L3, N) расположены управляемые соответственно из различных каналов силовые выключатели (H11/1, Н22/1, H12/1, Н21/1) и переводной ток может течь только тогда, когда оба вычислительных канала приняли участие в последовательном замыкании цепей питающего тока, причем для управления силовыми средствами переключения предусмотрены контакторы (НИ, Н12, Н21, Н22), в цепях питания этих контакторов расположены переключатели (S1, S2), которые являются временно переключаемыми, исходя из вычислительных каналов управляющей вычислительной системы, и при этом приводят в действие контакторы, а для последующего управления переключателями после этого предусмотрено детектирующее переводной ток устройство контроля тока движения (LU), которое при достижении нового конечного положения привода под управлением, по меньшей мере, одним приводным контактом (АК3) отключает переключатели и размыкает цепь питающего тока силовых выключателей, а устройство контроля тока движения (LU) представлено трансформатором, по меньшей мере, одна первичная обмотка (T1, T1.1 Т1.2) которого при переводе привода пронизывается переводным током, текущим, по меньшей мере, через одну обмотку двигателя и, по меньшей мере, через один приводной контакт, и вторичная обмотка (Т2) которого при этом дает в распоряжение служащее для управления переключателей (S1, S2) управляющее и питающее напряжения, причем предусмотрен устанавливаемый к началу каждого перевода таймер, который по истечению максимально допустимого для перевода стрелки времени перевода размыкает переключатели, а средства переключения (R1/1, R2/1, L1/1, L2/1) для задания направления движения привода являются управляемыми, по меньшей мере, косвенно посредством реле (R, L), которые являются приводимыми в действие из различных вычислительных каналов управляющей вычислительной системы, при этом средства переключения задания направления движения привода представлены контактами бистабильных реле (R1, R2, L1, L2) соответственно только с одной единственной обмоткой, подключение этих бистабильных реле происходит через управляемые из обоих вычислительных каналов реле (R, L) так, что направление тока в бистабильных реле реверсируется соответственно при переключении направления движения привода, а что силовые переключатели представлены контактами (H11/1, H12/1, H21/1, H22/1) силовых контакторов (Н11, H12, Н21, Н22) или электронными переключателями, а также способ управления, реализованный в этом патенте, (см. патент РФ №2194645, МПК B61L7/08, оп. в 2002 году). В устройстве по патенту РФ №2194645 для снабжения стрелочных приводов переводным током и их контроля в центральном или децентральном управляющем и контрольном устройстве применяются разработанные унифицированные переводные (установочные) частичные модули, которые приспосабливают к соответствующему случаю применения с помощью мостиковых контактов, а для токоснабжения сигнализаторов предусмотрены два отдельных источника постоянного напряжения Ul, U2. Это может привести к ошибкам в работе управляющего устройства. К недостаткам известной схемы управления можно отнести то, что плюсовой и минусовой полюс обоих источников постоянного напряжения U3, U4 соединен через отдельную линию с землей.
Настоящее изобретение направлено на решение технической проблемы влияния наведенных напряжений и блуждающих токов с земли на рабочие и контрольные каналы и цепи управляющего модуля, снижения надежности компонентов управляющего модуля за счет наличия импульсных коммутационных перенапряжений, и решает техническую задачу исключения возможности осуществления внешней подпитки контрольной цепи управляющего модуля от соседних аналогичных управляющих модулей.
Решение поставленной технической задачи достигается за счет:
- исключения реле из схемы контроля положения привода и замены его на электронные компоненты;
- исключения участия автопереключателя в рабочей цепи привода, за счет чего достигается отсутствие коммутационных всплесков при разрыве цепи управления электродвигателем в момент замыкания и размыкания контактов автопереключателя;
- гальванической отвязки цепи контроля положения привода от земли;
гальванической развязки цепи контроля и управления электроприводом;
- гальванической отвязки цепи управления приводом от земли;
- реализации схемы проверки собственного канала контроля положения привода и отсутствия внешней подпитки.
Для достижения поставленной технической задачи модуль управления стрелочным электроприводом, содержащий переключатель стрелочного электропривода, вход которого подключен к выходу безопасного реле, а выход подключен через контур измерения силы тока, включающий в себя токовый трансформатор, к входам безопасного реле перевода в «плюс» и безопасного реле перевода в «минус» с возможностью управления при помощи реле выбора, таймеры реального времени и схему накачки для размыкания безопасных реле, снабжен детектором замыкания на землю, связанный с выходами рабочих цепей стрелки - линий, при этом модуль также снабжен схемой опроса диода и схемой опроса состояния контактов.
А также благодаря тому, что в способе управления стрелочным электроприводом, включающем коммутацию 3-х фазного питающего напряжения со входов в рабочую цепь стрелочного электропривода при помощи безопасного реле, твердотельных релей безопасных реле перевода, управление безопасным реле посредством безопасного напряжения, созданного в контуре блока накачки, в контрольную цепь стрелки подают последовательность импульсов и отслеживают прохождение импульсов в контрольной цепи, при этом положение стрелки контролируют по полярности и амплитуде импульсов, проходящих в контрольной цепи, причем положение стрелки принимают плюсовым, если наблюдается прохождение токовых импульсов положительной полярности в первом канале схемы опроса диода и не наблюдается прохождение импульсов во втором канале схемы опроса диода, или минусовым, если наблюдается прохождение токовых импульсов отрицательной полярности во втором канале схемы опроса диода и не наблюдается прохождение импульсов в первом канале схемы опроса диода, при этом изменение направления вращения двигателя достигают чередованием фаз внутри модуля, при помощи реле выбора, причем для исключения резких скачков токов в модуле предусмотрено подключение рабочей цепи при помощи твердотельных реле в момент прохождения напряжения через «О».
Изобретение поясняется чертежами.
На фиг. 1 изображена схема подключения модуля управления стрелочным электроприводом к стрелочному приводу. На фиг. 2 изображена структурная схема модуля управления стрелочным электроприводом. На фиг. 3 изображена схема декодера адреса и блока генерации контрольных слов. На фиг. 4 изображена схема подключения безопасных реле. На фиг. 5 изображена структурная схема накачки. На фиг. 6 изображена функциональная схема блока накачки и таймера реального времени. На фиг. 7 изображен контур детектора замыкания на землю. На фиг. 8 изображен контур измерения силы тока. На фиг. 9 изображена схема контроля положения контактов. На фиг. 10 изображена схема определения положения контактов с помощью диода (два канала). На фиг. 11 изображен общая схема опроса диода.
1
2
3
1
2
3
1
2
3
1
2
3
4
5
6
12
22
11
21
1
2
3
4
5
6
1
2
3
Схема подключения модуля управления стрелочным электроприводом изображена на фиг. 1, а на фиг. 2 приведена его структурная схема. Модуль 1 управления стрелочным электроприводом включает три входа: 2, 2, 2 от трехфазного источника тока с выходами: 3, 3, 3 через предохранители 4 и связан с электродвигателем 5 привода стрелки линиями: 6, 6, 6 и выходами: 7, 7, 7, 7, 7, 7 рабочей цепи стрелки, а также с диодом 8 посредством выходов 9, 9, 9, 9 схемы 10 опроса диода 8. Схема опроса контактов 11 связана с модулем 1 посредством входов 12 опроса контактов 11 и выходов 13 опроса контактов 11. Модуль 1 управления стрелочным электроприводом включает безопасное реле 14, связанное посредством переключателя 15 электродвигателя 5 и контура 16 измерения силы тока с безопасным реле 17 перевода в плюс и с безопасным реле 18 перевода в минус, имеющих каждое свой выход 7, 7, 7, 7, 7, 7 в линии: 6, 6, 6, связанные с детектором 19 замыкания на землю. Блок 20 декодера адреса и блок 21 генерации контрольных слов связаны посредством таймеров 22 реального времени с блоком 23 накачки, который предназначен для подпитки безопасного реле 14 включения и реле 24 выбора, соединенного с реле 17 и 18. В модуль 1 входят блоки 251 и 25 г контроля контактов 11 и схема 10 опроса диода 8 с блоками 26i, 26 г, с выключателями 27 и 28. Блок 25 г контроля контактов 11 связан с безопасным реле 14 включения.
На фиг. 3 представлена схема декодера адреса и блока генерации контрольных слов. На шине 29 объектных контроллеров находится поле 30 адреса декодера 31 адреса и контрольное слово 32. Адресная шина 33, кодовое слово 34 настроек переднего разъема и кодовое слово 35 настроек заднего разъема также связаны с декодером 31 адреса, предназначенного для выдачи сигнала, разрешающего доступ к информационной шине 36.
На фиг. 4 изображена схема защитного выключателя - схема подключения безопасных реле 17 и 18 посредством реле 24 выбора и безопасного реле 14 включения с помощью твердотельных реле 37.
На фиг. 5 изображена структурная схема блока 23 накачки. Блок 23 накачки включает три таймера 22 реального времени с усилителями, передающими управляющее воздействие через преобразователи 38 и 39 постоянный ток/ постоянный ток (DC/DC) в шину управления
безопасными реле 14. Сигнал EN_RE - сигнал, разрешающий включение реле 14.
Изображенная на фиг. 6 функциональная схема блока 23 накачки включает каналы 40 сигнала включения блока 23 накачки с помощью декодера 31 адреса, схему 41 выбора таймера 22 реального времени и интерфейс 42 обратной связи.
1
2
3
4
Контур детектора 19 замыкания на землю, изображенный на фиг. 7, включает аналогово-цифровой преобразователь 43 и реле 44 имитации ошибки заземления, связанные с выходами 7, 7, 7 и 7 модуля 1 через измерительные резисторы 45. Контур детектора 19 также включает в себя резистор 46 (100 Ом).
Представленная на фиг. 8 схема измерения силы тока электродвигателя 5 привода стрелки включает трансформатор 47 тока, подключенный к аналого-цифровому преобразователю 48 через преобразователь 49 ток-напряжение с полуволновым выпрямителем 50.
Каждая схема контроля положения контактов 11, изображенных на фиг. 9, включает один кодовый трансмиттер 51 и один кодовый приемник 52. Входы 12 и выходы 13 сгруппированы попарно. На фиг. 10 показана схема определения положения электродвигателя 5 с помощью схемы 10 опроса диода 8 (два гальванически развязанных канала блоки 25 и 26). Общая схема 10 опроса диода 8 показана на фиг. 11.
12
22
11
21
12
22
11
21
Способ управления стрелочным электроприводом, который можно реализовать с помощью вышеописанного модуля 1, заключается в том, что в рабочую сеть стрелочного электропривода коммутируют 3-х фазное питающее напряжение 3×220 В при помощи симисторов и безопасных реле 17 и 18 (фиг. 2), а в контрольную цепь стрелки выдают переменное действующее напряжение 35 В, при этом следят за прохождением импульсов в контрольной цепи с выходами 9, 9, 9, 9 Положение стрелки контролируют по полярности и амплитуде импульсов, проходящих в контрольной цепи с выходами 9, 9, 9, 9. Изменение направления вращения электродвигателя 5 достигают чередованием фаз внутри модуля 1 для рабочей цепи стрелки. Питание на модуль 1 подают через предохранители 4. Используют три предохранителя 4 на каждый модуль 1, типа Т, номиналом 6,3А, с контролем перегорания.
Декодер 31 адреса выполняет дешифрование, если на адресной шине 33 появляется корректный адрес. Если адрес является одним из 13 адресов, действительных для модуля 1 управления стрелочным электроприводом, генерируется контрольное слово 32 и активируется сигнал, разрешающий доступ к информационной шине 36. Биты адреса 30 сравниваются с настройками переключателей 15 адреса, передаваемых по адресной шине 33. Кодовое слово 35 на заднем разъеме сравнивают с таким же кодовым словом 33 на переднем разъеме. Шина 29 подключена непосредственно к декодеру 31.
Питание электродвигателя 5 на стрелочный электропривод подают через безопасные реле 14, а также реле 17 и 18. Направление движения стрелочного электропривода меняют путем активации реле 24 выбора. После этого можно активировать твердотельные реле 37 (фиг. 4), которые включают питание электродвигателя 5 стрелочного электропривода. Безопасное напряжение, созданное в контуре блока 23 накачки, управляет последовательным безопасным реле 14. Имеется три безопасных реле 14, 17,18. Два из них (реле 17,18) предназначены для перемены направления движения стрелочного электропривода в «плюс» или «минус». Третье является дополнительным безопасным реле 14, подключенным последовательно с левым/правым безопасным реле 17 и 18: в положение «плюс» - реле 17, а положение «минус» - реле 18. Управляющее напряжение от блока 23 накачки к безопасному реле 17 и 18 в «плюс» или «минус» переключают при помощи реле 24 выбора. Последовательно подключенные реле 14 и 37, а также реле 17 и 18 в «плюс» («минус») включают/выключают с задержкой времени между ними. Время включения составляет около 70 мс для первого последовательного реле 14 и около 100 мс для второго последовательного реле 37. По той же причине отключение составляет около 100 мс для второго последовательного реле 37 и около 400 мс для первого реле 14.
Для исключения резких скачков токов в модуле 1 предусмотрено подключение рабочей цепи при помощи твердотельных реле 37 в момент прохождения напряжения через «0». Таким образом, исключается искрение на контактах обычных реле и увеличивается их ресурс.
Блок 23 накачки включает три таймера 22 реального времени с усилителями. Данные три таймера 22 реального времени управляют двумя преобразователями 38 и 39 постоянного тока в постоянный ток (DC/DC). Каждый таймер 22 доставляет одно условие на преобразователи 38 и 39 (DC/DC) (постоянный ток/постоянный ток). Чтобы преобразователи 38 и 39 (DC/DC) активировали цепь управления реле 14 и 24, должны выполняться все три условия. Когда все три таймера 22 накачиваются в правильной последовательности, выходы активируются.
1
2
3
4
Контур детектора 19 замыкания на землю (см. фиг. 7) используют для включения испытательной схемы, в которой можно создать замыкание на землю. Сразу же при возникновении короткого замыкания на землю ток начинает проходить с источника питания 40 В постоянного тока через измерительные резисторы 45 на выходы 7, 7, 7, 7 модуля 1, а затем контур коротко замыкается на землю через раму. После этого происходит падение напряжения на резисторе 46 (100 Ом), которое может считывать аналого-цифровой преобразователь 43. При активировании реле 44, которое замыкает токовый контур, выполняется внутреннее испытание детектора 19 на землю. Аналого-цифровой преобразователь 43 относится к типу приборов интеграции средней величины, он интегрирует входной сигнал в течение 100 мс. Это обозначает пять периодов 50 Гц или шесть периодов 60 Гц. Время внутренней интеграции в аналого-цифровом преобразователе 43 составляет 2048 тактовых циклов. Функция измерения силы тока является линейной для каждого уровня квантования аналого-цифрового преобразователя 43.
12
22
11
21
На выходах 9, 9, 9, 9 схемы 10 опроса диода 8 (фиг. 11) в течение периода 4,4 мс генерируется прямоугольный импульс. Прямоугольный импульс генерируется для обоих гальванически развязанных канала одновременно. Информация о положении стрелки принимается на основе оценки прохождения серии токовых импульсов по каналу схемы 10 опроса диода 8 через контрольную цепь. Контрольное напряжение в модуле 1 не отнесено к земле. В модуле 1 управления стрелочным электроприводом состояние контрольной цепи оценивается непрерывно, в т.ч. во время перевода стрелки. По состоянию контрольной цепи принимается решение о прекращении перевода.
Технический результат, достигаемый с использованием заявленного изобретения, заключается в:
12
22
11
21
- повышении надежности и длительности эксплуатации электропривода, а также электронных постовых устройств в результате невозможности образования коммутационных импульсных перенапряжений в рабочей и контрольной цепи за счет исключения использования контактов автопереключателя для коммутации рабочих токов и напряжений, совместно с проключением (подачей напряжения) рабочей цепи при помощи твердотельных реле 37 в момент прохождения напряжения через «0» для исключения резких скачков токов в модуле, а также использования для контроля стрелки двух гальванически изолированных (гальванически развязанных) как от рабочей цепи, так и друг от друга, выходов 9, 9, 9, 9 схемы 10 опроса диода 8.
- повышении безопасности схемы контроля электроприводом, за счет исключения возможности ошибочного определения положения электропривода в результате влияния сигналов контрольной цепи аналогичных устройств и применения импульсной последовательности в контрольной цепи с проверкой отсутствия внешней подпитки, при этом напряжение гальванически отвязано от земли (вместо постоянного напряжения с опорным земляным потенциалом);
- повышения коэффициента доступности оборудования, в результате определения предотказных состояний за счет использования детектора 19 замыкания на землю.