СПОСОБ ИНТЕРАКТИВНОГО ИСПЫТАНИЯ ДЛЯ ПРОМЕЖУТОЧНОЙ ЛИНИИ ПЕРЕДАЧИ
METHOD OF INTERACTIVE TEST FOR INTERMEDIATE TRANSMISSION LINE

Настоящее изобретение относится к способу испытаний электрических компонентов, а именно способу определения динамических характеристик промежуточной линии передачи напряжения и значений ее электрических компонентов. Оно также относится к устройству для выполнения таких испытаний, а именно блоку управления и детектирования для обнаружения отклонений от номинальных характеристик или значений. Такие способы и устройства особенно применимы для промежуточных контуров, используемых в сетях электропитания рельсовых транспортных средств.
Общим типом промежуточной линии передачи напряжения является прямое электрическое соединение постоянного тока между преобразователем переменного тока в постоянный и преобразователем постоянного тока в переменный. Такая схема расположения может быть использована при подаче электропитания на электрическое рельсовое транспортное средство. В таких случаях первый преобразователь может быть соединен через однофазный трансформатор для получения электрической мощности от, например, подвесной линии электропитания. Этот преобразователь упоминается как линейный преобразователь. Часто используемым типом линейного преобразователя является четырехквадрантный преобразователь. Второй преобразователь связан с электродвигателем или электродвигателями электрического транспортного средства и упоминается как каскадный преобразователь или преобразователь привода. Преобразователь привода может быть многофазным устройством.
Промежуточные линии передачи напряжения постоянного тока для применений в рельсовых транспортных средствах, в общем, состоят из сетевого конденсатора и фильтра. Назначение сетевого конденсатора состоит в накоплении энергии и, таким образом, сглаживании напряжения промежуточной линии передачи. Сетевой конденсатор обычно выбирают, чтобы он был по возможности большим в пределах ограничений блока по массе. Назначение фильтра состоит в подавлении пульсаций питания, вызванных однофазным питанием преобразователя линии. Он может состоять из второго конденсатора, включенного последовательно с катушкой. Могут также быть включены другие компоненты в соответствии с предполагаемыми функциями и ограничениями, налагаемыми на функционирование промежуточной линии передачи.
Такие компоненты могут включать тормозной резистор и тормозной прерыватель или другой тип ограничителя напряжения.
Важно для правильного функционирования большинства систем, чтобы все элементы и компоненты функционировали как можно ближе к номинальным значениям. В случае рельсовых транспортных средств, железнодорожные сети налагают жесткие требования в отношении сетевых гармоник, создаваемых отдельными транспортными средствами и распространяемых на сеть питания. Такие гармоники могут мешать передаче сигналов по сети или, в худших случаях, могут вызвать остановку рельсовых транспортных средств на этом участке сети. Очень трудно соответствовать таким жестким требованиям, если элементы промежуточной линии передачи функционируют вне своего номинального диапазона. По этой причине полезно иметь возможность обнаруживать нарушения как можно скорее, чтобы принять меры по их устранению.
В настоящее время используются различные решения для надзора за сетевыми гармониками, но нет специальных испытаний, при этом целостность и функционирование промежуточной линии передачи можно определить во время ее эксплуатации. Более конкретно, хотя можно контролировать сетевые гармоники, трудно идентифицировать источник такого повреждения. Поэтому желательно обеспечить способ испытания целостности электрических компонентов в промежуточной линии передачи напряжения между первичным контуром и вторичным контуром.
d
а
d
В контексте настоящего изобретения обнаружено, что путем анализа функции передачи G(jω) между входным I (или даже выходным I) током промежуточной линии передачи постоянного тока и ее напряжением U
d
d
G(jω)=U(jω)/I(jω)
или
d
a
G(jω)=U(jω)/I(jω)
можно показать, что скачок фазы возникает на частоте приблизительно в 2,5 раза выше частоты сети. Это означает, что фаза между входом (ток) и выходом (напряжение) быстро меняется между +90 град. и -90 град.
Если значения каких-либо компонентов, образующих промежуточный контур, т.е. сетевого конденсатора, конденсатора фильтра или катушки фильтра, изменены, скачок фазы может возникнуть при другой частоте или выше другой частоты. Более конкретно, было обнаружено, что в случае снижения значения какого-либо из этих компонентов, частота, на которой происходит скачок фазы, повышается, и наоборот. Кроме того, емкость сетевого конденсатора влияет, главным образом, только на крутизну спада фазовой кривой. В других случаях изменения элементов фильтра влияют и на участок спада, и на участок подъема фазовой кривой.
По настоящему изобретению обеспечен способ испытания целостности электрических компонентов в промежуточной линии передачи напряжения между контуром электропитания и контуром привода электрического транспортного средства, предусматривающий возбуждение промежуточной линии передачи первым тестовым сигналом, измерение реакции системы на тестовый сигнал, сравнение реакции системы с ожидаемой реакцией и, в случае расхождения между реакцией системы и ожидаемой реакцией, генерирование сигнала ошибки.
В конкретном варианте выполнения способа, промежуточный контур имеет номинальную функцию передачи, показывающую скачок фазы на частоте ω. Способ предусматривает выполнение испытаний путем возбуждения промежуточного контуры при первом тестовом сигнале с частотой, близкой к ω, измерение фазового сдвига функции передачи, сравнение фазового сдвига с ожидаемым фазовым сдвигом и, в случае расхождения между фазовым сдвигом и ожидаемым фазовым сдвигом, генерирование сигнала ошибки.
Для выполнения испытаний возможно возбуждение промежуточной линии передачи (под нагрузкой и без нагрузки) в течение короткого времени, например 10 с, путем гармонического возбуждения. Частота этого возбуждения близка к точке, где возникает фазовый скачок, и может быть заранее рассчитана на уровне базовых знаний инженера-электрика. Измеряется фазовый сдвиг между током нагрузки и напряжением линии передачи. Результат сравнивается с ожидаемым (заранее рассчитанным) значением. Отклонение может быть проверено и, в таких случаях, когда оно превышает определенный предел, запускается указанное действие, например, предупреждение оператору или отключение преобразователей.
Нагрузка/разгрузка промежуточной линии передачи может быть предусмотрена одним из преобразователей или тормозным прерывателем/ограничителем напряжения. Во избежание любого вмешательства с управлением преобразователя линии предпочтительно выполнять испытания в так называемом "предварительно заряженном" состоянии промежуточной линии передачи. Это означает, что преобразователь линии не функционирует. В таких случаях все испытания могут быть, предпочтительно, внесены в процедуру запуска. Предпочтительно, в таких случаях, чтобы испытания можно было выполнить с использованием тормозного прерывателя в качестве источника периодического сигнала путем его периодического включения для диссипации энергии через тормозной резистор.
Альтернативно, способ может осуществляться периодически во время функционирования транспортного средства. В таких случаях сигнал может быть подан через преобразователь привода в качестве предельного сигнала выше существующего возбуждающего сигнала. Поскольку частота тестового сигнала по существу выше, чем существующего сигнала (например, выше в 2,5 раза), но со значением менее 10% максимального крутящего момента, она мало влияет на динамику самого привода. Способ генерирования этого сигнала может быть аналогичен способу, в котором сигналы управления прочностью сцепления генерируются и подаются на преобразователь привода для обнаружения условий сцепления между рельсом и колесом.
Частота тестирования может быть определена в соответствии с опытом оператора или условиями эксплуатации, например, раз в месяц/неделю/день или в ответ на некоторые индикаторы, например обнаружение превышающих норму гармоник сети на сети питания.
Оценка результатов может быть достигнута одним из большого числа способов, хорошо известных в этой области. Для аналогичных применений был успешен и настоятельно рекомендуется так называемый способ "ортогональной корреляции".
Способ может быть улучшен путем использования пошаговой процедуры. При первом испытании промежуточная линия передачи проверяется в общем. Для это цели частота возбуждения может быть выбрана близкой к участку спада фазовой зависимости на частоте несколько выше фазового скачка. Если результат обнаруживает расхождение с ожидаемым фазовым сдвигом, может быть выполнено второе испытание с частотой в области участка подъема фазы. Если второе испытание также не было успешным, компоненты фильтра выходят за рамки диапазона, в противном случае сетевой конденсатор выходит за рамки диапазона. Также могут быть выполнены дополнительные испытания на других частотах, соответствующих другим характеристикам фазового соотношения.
В соответствии с дополнительным объектом настоящего изобретения обеспечен детектор для обнаружения отказа компонентов в промежуточной линии передачи между двумя преобразователями, включающий генератор сигнала с первым выходом для генерирования сигнала возбуждения заранее определенной амплитуды и частоты и приложения его к промежуточной линии передачи, блок оценки для определения фазового сдвига реакции системы на сигнал возбуждения, и схему сравнения, которая сравнивает фазовый сдвиг, определенный блоком оценки с ожидаемым значением и генерирует предупредительный сигнал, если результат выходит за рамки допустимого диапазона.
Предпочтительно генератор сигнала может генерировать большое число сигналов. В частности, он должен обладать возможностью создавать сигнал корреляции, ортогональный сигналу возбуждения для целей выполнения ортогональной корреляции в блоке оценки. Кроме того, желательно, чтобы генератор сигнала мог создавать сигналы на различных частотах. Это позволяет детектору выполнить более полный анализ промежуточной линии передачи путем оценки реакции системы на сигналы возбуждения на различных частотах. Генератор сигнала может также обладать возможностью генерировать сигналы, имеющие различную форму сигнала. Наиболее подходящим сигналом для многих целей является синусоидальная форма сигнала, но также желательно, чтобы генератор сигнала позволял создавать другую форму сигнала, такую как последовательность прямоугольных, трапецеидальных или треугольных импульсов.
Далее описан вариант выполнения настоящего изобретения, только путем примера, со ссылкой на сопроводительные чертежи, на которых:
Фиг.1 - электрическая схема для промежуточной линии передачи напряжения постоянного тока между линейным преобразователем и каскадным преобразователем рельсового транспортного средства;
Фиг.2 - диаграмма Боде фазового сдвига и значения функции передачи входного тока и входного напряжения для промежуточной линии передачи напряжения, показанной на Фиг.1;
Фиг.3 - блок-схема промежуточной линии передачи, включающей детектор по настоящему изобретению;
Фиг.4 - диаграмма Боде, аналогичная Фиг.2, показывающая отказ сетевого конденсатора;
Фиг.5 - диаграмма Боде, аналогичная Фиг.2, показывающая отказ конденсатора фильтра; и
Фиг.6 - диаграмма Боде, аналогичная Фиг.4, показывающая типичную функцию передачи промежуточной линии передачи с управлением по напряжению.
zk1
d
sk
sk
В соответствии с вариантом выполнения, показанным на Фиг.1, представлена электрическая схема промежуточной линии передачи напряжения постоянного тока между линейным преобразователем и каскадным преобразователем рельсового транспортного средства. Промежуточная линия передачи напряжения состоит из сетевого конденсатора C и фильтра. Назначение конденсатора состоит в сохранении энергии и, таким образом, сглаживании напряжения промежуточной линии передачи U. Назначение фильтра состоит в подавлении пульсаций питания, вызванных однофазным питанием линейного преобразователя. Присутствие таких пульсаций вредно для функционирования преобразователей и может привести к распространению нежелательных гармонических сигналов назад в сеть питания. Фильтр состоит из второго конденсатора C и катушки L. Для целей подачи питания рельсового транспортного средства от сети питания значения этих компонентов, в общем, выбирают для удовлетворения следующим уравнениям:
N
sk
sk
f=1/4π*√l/(L*C),
где
N
f … частота линии (сеть питания)
sk
L … индуктивность катушки
sk
C … емкость конденсатора.
mub1
mub1
Дополнительно, тормозной резистор R и тормозной прерыватель Х могут присутствовать в виде так называемого ограничителя напряжения. Такой ограничитель напряжения позволяет выполнить резистивное торможение путем диссипации через резистор R при управлении тормозным прерывателем X, когда превышающая норму положительная обратная связь через преобразователь привода вызывает превышающее норму напряжение в промежуточной линии передачи. Для других применений могут оказаться необходимы другие конфигурации промежуточных линий передачи с использованием компонентов с другими значениями.
d
а
d
Промежуточная линия передачи напряжения может быть представлена функцией передачи соотношения входного тока I (или тока на выходе I) к напряжению промежуточной линии передачи U для различных частот jω.
d
d
G(jω)=U(jω)/I(jω)
или
d
a
G(jω)=U(jω)/I(jω).
d
d
а
d
d
d
d
На Фиг.2 показана диаграмма Боде функции передачи G(jω) входного тока I и напряжения U для промежуточной линии передачи напряжения, показанной на Фиг.1. Диаграмма Боде представляет в нижней части фазовый сдвиг входного тока I по отношению к напряжению U выше диапазона частот, а в верхней части - значение функции передачи, выраженное по шкале децибелов. Путем анализа функции передачи G(jω) можно показать, что фазовый скачок возникает на частоте приблизительно в 2,5 раза выше сетевой частоты, для которой определен номинал компонентов (которая в показанном примере составляет 16,7 Гц). На частотах ниже фазового скачка в нормальном рабочем диапазоне линии передачи, входной ток I приводит к напряжению U на 90 град. То же применимо к частотам выше фазового скачка. В области фазового скачка, однако, фазовое отношение между входом (ток) и выходом (напряжение) быстро меняется между +90 град. и -90 град. и, выше этого узкого диапазона частот, входной ток задерживает напряжение U по фазе на 90 град.
Дополнительно, в области скачка фазы может быть отмечено, что значение функции передачи меняется значительно.
zk1
Если номинальное значение сетевого конденсатора, конденсатора фильтра или катушки фильтра должно быть изменено по какой-либо причине, фазовый скачок возникает на другой частоте. Это показано на примерах, приведенных далее. Можно показать, что в случае снижения значения какого-либо из вышеупомянутых компонентов частота, на которой возникает фазовый скачок, повышается, и наоборот. Кроме того, емкость сетевого конденсатора C влияет только на участок спада фазового отношения. Изменения номинальных компонентов фильтра влияют и на участок спада, и на участок подъема фазового отношения.
На Фиг.3 показана блок-схема промежуточной линии передачи напряжения 1 между линейным преобразователем 10 и преобразователем привода 20. Линейный преобразователь 10 предусмотрен с подачей однофазного питания через токосниматель (пантограф) 8 от сети питания 6. Преобразователь привода 20 подает ток через 3-фазную подачу питания 26 на электродвигатель 28. Преобразователь привода 20 управляется блоком управления преобразователя привода 22, включающего блок 24 запуска. Детекторный блок 30 по одному варианту выполнения показан схематически в качестве конструкционной части блока управления преобразователя привода 22. Детекторный блок включает генератор сигнала 32, блок оценки 34 и схему сравнения 36.
Функционирование детекторного блока 30 для испытаний целостности промежуточной линии передачи по настоящему изобретению пояснено путем примера со ссылкой на Фиг. с 3 по 5. Блок 24 запуска испускает сигнал 91 запуска для индикации начала процедуры обнаружения для проведения испытаний промежуточной линии передачи 1. Генератор сигнала генерирует тестовый сигнал 92 в форме гармонического возбуждения, которое подается (с нагрузкой или без нагрузки) на промежуточный контур 1 через преобразователь привода в течение короткого времени, например 10 с. Частота тестового сигнала возбуждения 92 выбрана близкой к точке, где ожидается возникновение фазового скачка. Это может быть заранее рассчитано на уровне базовых знаний инженера-электрика на основании номинальных значений электрических компонентов. Ответный сигнал 94 обеспечивается на блоке 34 оценки, представляющем реакцию по напряжению промежуточной линии передачи 1 на приложенное возбуждение. Одновременно с генерированием тестового сигнала 92 генератор 32 сигнала также создает сигнал корреляции 93. Сигнал корреляции 93 генерируется точно с той же частотой и амплитудой, что и тестовый сигнал 92, но является ортогональным по отношению к нему, т.е. имеет фазовый сдвиг на 90 град. И сигнал корреляции 93, и тестовый сигнал 92 подаются непосредственно на блок 34 оценки для целей ортогональной корреляции, как указано далее. Блок 34 оценки оценивает фазовый сдвиг между током нагрузки, подаваемым на промежуточную линию передачи посредством тестового сигнала 92 и ответного сигнала напряжения линии передачи 94. Блок 34 оценки создает в качестве выхода сигнал с фазовым сдвигом 96. Сигнал с фазовым сдвигом 96 подается на схему 36 сравнения, где он сравнивается с ожидаемым значением в качестве расчетного. Ожидаемое значение может быть записано в схеме сравнения или подаваться на нее от другого устройства памяти (не показано). Расхождение сигнала с фазовым сдвигом 96 и ожидаемого значения проверяется и, в случае, когда оно превышает определенный предел, запускается сигнал 98 о неисправности, например, в качестве предупреждения оператору или в качестве сигнала для отключения преобразователей.
А
ph
А
Оценка сигналов 92, 94 может быть выполнена одним из множества хорошо известных способов. Конкретным предпочтительным способом является так называемый способ "ортогональной корреляции", который оказался успешным для аналогичных оценок. Этот способ подробно описан в ЕР 0826549 А1 и предусматривает подачу первого Т и второго Т гармонических сигналов, для которых нужно рассчитать разность фаз. Дополнительный сигнал корреляции Т генерируется с фазовым сдвигом 90 град. По отношению к Т фазовый сдвиг Т по отношению к Т определяется сначала созданием произведения обоих сигналов с сигналом корреляции и получением среднего в зависимости от времени для этих произведений. Арктангенс частного значения этих произведений представляет фазовый сдвиг
ph
А
ph
φ=arctan|T.T|/|Т.Т|
Тестовый сигнал 92 может составлять малую процентную долю сигнала, присутствующего на промежуточной линии передачи 1. Для промежуточной линии передачи постоянного тока, функционирующей при 2800 В, сигнал с амплитудой 100 В может быть достаточен.
Пример 1. Отказ сетевого конденсатора
zk1
sk
sk
Для промежуточной линии передачи напряжения с сетевым конденсатором C 12 мФ, частота линии составляет 16,7 Гц. В соответствии с этими значениями индуктивность фильтра L должна быть 2,02 мГн, и емкость фильтра C - 11,25 мФ. Функция передачи в предположении номинальных значений всех этих компонентов показана сплошной линией на Фиг.4.
В этом первом примере предполагается, что сетевая емкость упала на 20% ниже номинального значения. Фактическая функция передачи показана штриховой линией на Фиг.4. При выборе тестового сигнала возбуждения 92 с частотой 48 Гц ожидаемый (номинальный) фазовый сдвиг составляет -74 град. (точка А), в случае упомянутого отказа фазовый сдвиг будет фактически >60 град., как показано на фигуре в точке В.
Пример 2. Отказ конденсатора фильтра
sk
zk1
sk
Использование того же напряжения промежуточной линии передачи предполагается вместо того, что значение конденсатора фильтра C упало на 20% меньше номинального значения. Первое испытание снова проводится с тестовым сигналом гармонического возбуждения 92 частотой 48 Гц. В результате отказ будет обнаружен путем получения такого же фазового сдвига, что и в первом примере. Для получения более подробной информации может быть проведено второе испытание со вторым тестовым сигналом возбуждения 92 частотой 35 Гц. В случае безотказной промежуточной линии передачи или даже в случае отказа сетевого конденсатора C, фазовый сдвиг составляет >70 град, как показано точкой С. В случае отказа конденсатора фильтра C фазовый сдвиг составляет < -75 град., как показано точкой D на Фиг.5. Использование двухэтапной процедуры, таким образом, позволяет определить дополнительные сведения в отношении отказа.
Также возможно множество других вариантов настоящего изобретения. Более конкретно, хотя ссылка сделана на синусоидальные тестовые сигналы возбуждения, также возможен любой другой тип гармонического возбуждения, включая прямоугольные, треугольные и трапецеидальные функции, но не ограничиваясь ими. Нагрузка/разгрузка промежуточной линии передачи может быть обеспечена одним из преобразователей или тормозным прерывателем/ограничителем напряжения. Чтобы избежать любого вмешательства в управление преобразователем линии предпочтительно проводить испытания в так называемом "предварительно заряженном" состоянии промежуточной линии передачи, когда преобразователь линии не функционирует, в таких ситуациях может оказаться необходимым ввести все испытания в процедуру запуска привода.
Функции передачи, показанные на Фиг.2, 4 и 5, представляют собой несколько идеализированные версии истинных функций. На Фиг.6 показано, как может выглядеть истинная передача. А именно, для промежуточной линии передачи с управлением по напряжению фазовый скачок менее заметен, чем в случаях, показанных на предыдущих чертежах, что затрудняет обнаружение в таких обстоятельствах, и может оказаться необходимым предпринять действия для отключения регулировки по напряжению промежуточного контура на этапе испытаний.
mub1
Вышеприведенные примеры описаны в отношении частоты линии 16,7 Гц с испытаниями при 48 Гц. Для рельсовых транспортных систем, работающих на более высоких частотах, например 60 Гц, частоты тестовых сигналов также должны возрасти. Для более высоких частот, где может оказаться необходимым использовать преобразователи привода типа IGBT (биполярные транзисторы с изолированным затвором) для генерирования тестовых сигналов, альтернативным вариантом может быть использование тормозного прерывателя Х для периодического включения и выключения тормозного резистора R. Такие тормозные прерыватели могут в настоящее время работать на частоте 250 Гц и выше.
Могут быть также рассмотрены другие альтернативные способы подачи тестового сигнала на промежуточную линию передачи. Они могут включать использование отдельных тестовых контуров для подключения к линии передачи, когда она выключена, или других специальных контуров. Такие альтернативные варианты, однако, не рассматриваются настолько практически осуществимыми, как вышеописанные встроенные интерактивные испытания. Кроме того, хотя была сделана ссылка на гармонические тестовые сигналы, также в объем настоящего изобретения входит, что реакция системы на отдельный импульс может также быть проанализирована для определения целостности компонентов системы.
Хотя выше приводится описание испытаний для промежуточного контура от напряжения линии переменного тока, принципы настоящего изобретения можно также применить к подаче напряжения постоянного тока непосредственно на промежуточный контур. В таких случаях расстояние между рельсовым транспортным средством и ближайшей электрической подстанцией должно быть включено в анализ контура для компенсации изменения импеданса составного контура, образованного промежуточной линией передачи и контуром питания постоянного тока.
Хотя вышеуказанные примеры показывают предпочтительные примеры настоящего изобретения, следует отметить, что также могут рассматриваться различные другие схемы расположения, которые входят в сущность и объем настоящего изобретения, как указано в прилагаемой формуле изобретения.