Система диагностики плеч выпрямительно-инверторных преобразователей электровозов переменного тока

Полезная модель относится к электротехнике, в частности к преобразовательной технике, и может быть использована для диагностики тиристорных выпрямительно-инверторных преобразователей (ВИП) для питания тяговых двигателей электровозов переменного тока. Кроме того, данную систему диагностики можно использовать для контроля состояния однофазных и многофазных тиристорных выпрямителей, а также неуправляемых диодных выпрямителей, с последовательным включением двух силовых полупроводниковых приборов или групп параллельно включенных силовых полупроводниковых приборов.
Известно устройство: микропроцессорная система управления движением и диагностики (МСУД), реализующее четырехзонное регулирование тяги электровозов переменного тока путем подачи импульсов управления на плечи выпрямительно-инверторного преобразователя (ВИП) [1, 2]. Данным устройством производится штатная проверка работоспособности ВИП во время стоянки путем подачи импульсов управления на плечи первой зоны регулирования. Об исправности плеч ВИП, в таком случае, можно судить по появлению токов якорей тяговых двигателей.
Недостатками данного устройства является отсутствие возможности диагностики всех плеч ВИП на стоянке под нагрузкой и невозможность определить случай пробоя, возникший во время движения электровоза.
Известно устройство диагностики, содержащее в своем составе блок перераспределения импульсов управления, поступающих на плечи ВИП, таким образом, чтобы проверить все плечи ВИП. Данным устройством производится диагностика состояния плеч ВИП на электровозе, стоящем на стоянке под нагрузкой, путем поочередной проверки наличия токов якорей двигателей на всех плечах ВИП. [3]
Недостатком данного устройства является невозможность определить случай пробоя, возникший во время движения электровоза
Наиболее близким по технической сущности является устройство диагностики, содержащее в своем составе измерительный трансформатор, включенный вторичными обмотками в точки межсоединений защитных RC-цепей, которые соединены между собой в последовательные цепочки по две или по три и подключенные своими концами к полупроводниковым приборам. При этом первичные обмотки данного трансформатора через измерительный датчик тока подключены к генератору импульсного сигнала. Принцип работы данного устройства основан на измерении тока первичной обмотки трансформатора в интервалах непроводимости вентилей при закрытых полупроводниковых приборах, причем сигналом обнаружения пробоя вентиля считается возрастание относительно опорного значения величины тока, обусловленное появлением напряжения на соответствующей вторичной обмотке. [4]
Недостатком данного устройства является:
- большие массогабаритные показатели измерительного трансформатора вследствие протекания, по первичной обмотке которого больших токов, величина которых прямо пропорциональна числу последовательно соединенных полупроводниковых приборов.
- использование в конструкции устройства большое количество датчиков тока и импульсных генераторов;
- необходимость измерения величины тока, возникающего при неисправности силового полупроводникового прибора, и организация схем сравнения аналоговых сигналов, что также приводит к увеличению габаритов всей системы в целом и сложностям при ее реализации с помощью ПЛИС;
- необходимость большого количества каналов АЦП при реализации данной системы диагностики с помощью микроконтроллеров.
Основными задачами предлагаемой полезной модели являются:
- обеспечение контроля состояния тиристорных плеч ВИП электровоза, находящегося как на стоянке, так и в движении, как под нагрузкой, так и без нее;
- уменьшение массогабаритных показателей измерительного трансформатора путем отказа от применения в конструкции устройства генератора импульсных сигналов и датчиков тока и использовании в качестве сигнала об обнаружении пробоя тиристора напряжения небаланса в диагонали плеча;
- возможность реализации измерительного блока программно с помощью микроконтроллеров или программируемых логических интегральных схем (ПЛИС) без использования аналого-цифровых преобразователей (АЦП) и аналоговых схем сравнения с целью уменьшения массогабаритных показателей всей системы диагностики в целом.
Сущность полезной модели заключается в том, что измеряется напряжение небаланса, которое поступает в устройство диагностики со вторичной обмотки трансформатора, один конец первичной обмотки которого соединен со средней точкой резистивного делителя, а другой с межсоединением защитных RC-цепей, подключенных к соответствующим последовательно соединенным тиристорам. Аналоговый сигнал, сформированный измерительный трансформатором, преобразуется в последовательность импульсов определенной длительности, наличие которых позволяет сделать вывод о неисправности одного из тиристоров плеча. Таким образом, по одному аналоговому сигналу определяется состоянии всего тиристорного плеча в целом, а также отпадает необходимость в измерении величины напряжения на выходе трансформатора, что позволяет реализовать определение неисправности программно с помощью микроконтроллера или ПЛИС без использования АЦП или схем сравнения аналоговых сигналов.
Полезная модель поясняется следующими чертежами:
Фиг. 1 - функциональная схема системы диагностики с подключением к тиристорному плечу 1.
Фиг. 2 - диаграммы, поясняющие работу устройства.
В состав системы диагностики входят резистивный делитель, состоящий из резисторов 1 и 2, трансформатора 4, подключенного к средней точке резистивного делителя 1,2 и межсоединению двух последовательных тиристоров 5, 6 и RC-цепей 7, 8, диодного моста 9, вход переменного напряжения которого соединен с трансформатором 4, цепочки последовательно соединенных стабилитрона 10, токоограничивающего резистора 11 и оптрона 12, подключенной к выходу диодного моста 9, блока измерения 13, состоящего из инвертора 14, полосового фильтра 15, счетчика длительности импульсов 16 и компаратора 17.
Система диагностики работает следующим образом. Резистивный делитель, состоящий из резисторов 2, 3 с одинаковым сопротивлением, и силовые тиристоры 5, 6 с защитными RC-цепями 7, 8 образуют измерительный балансный мост. На одну диагональ образовавшегося моста подается силовое переменное напряжение, в другую диагональ моста включен трансформатор 4. Трансформатор 4 необходим для уменьшения разности потенциалов до необходимого безопасного уровня, а также для обеспечения гальванической развязки силовых цепей ВИП от низковольтных цепей диагностики. При равенстве резисторов 2, 3 и исправности тиристоров 5, 6 и защитных RC-цепей 7, 8 разность потенциалов на первичной обмотке трансформатора 4 будет равна нулю. При условии исправности тиристоров баланс моста сохраняется при работе на любом угле регулирования ВИП. При пробое или обрыве одного из тиристоров 5 или 6, а также при выходе из строя какой-либо RC-цепи 7 или 8, на первичной обмотке трансформатора 4 появляется разность потенциалов. Поскольку на вход ВИП подается переменное напряжение, то на первичной и вторичной обмотках трансформатора 4 также образуется переменное напряжение (Фиг. 2, А). Напряжение со вторичной обмотки поступает на диодный мост 9, который выпрямляет переменное напряжение (Фиг. 2, Б). Стабилитрон 10 отсекает напряжение помех и определяет минимальный уровень напряжения, резистор 11 ограничивает ток через оптрон 12, который из выпрямленного напряжения формирует прямоугольные импульсы (Фиг. 2, В). Прямоугольные импульсы с выхода оптрона 12 подаются на блок измерения 13, который состоит из инвертора 14, полосового фильтра 15, пропускающий импульсы в заданной полосе частот, счетчика длительности импульсов 16. Компаратор 17 сравнивает длительность импульсов с заданной уставкой 18, при превышении которой формируется сигнал неисправности плеча 19.
Источники информации:
1. Электровоз магистральный 2ЭС5К. Руководство по эксплуатации в 2-х т. - Новочеркасск: ООО «ПК» «ИЭВЗ», 2008, - Т. 1. - 635 с.
2. Электровоз магистральный 2ЭС5К. Руководство по эксплуатации в 2-х т. - Новочеркасск: ООО «ПК» «НЭВЗ», 2008, - Т. 2. - 640 с.
3. Патент №74531, Российская Федерация, МПК Н02Р 7/00. Устройство диагностики плеч выпрямительно-инверторных преобразователей электровоза переменного тока под нагрузкой / Бабичук А.К., Мельниченко О.В.; заявитель и патентообладатель Государственное образовательное. учреждение высшего профессионального образования Иркутский государственный университет путей сообщения (RU). - заявка 2008105633/22; заявл. 13.02.2008; опубл. 27.06.2008. - 21 с.: ил.
4. Патент №2251776, Российская Федерация, МПК Н02Н 7/10. Высоковольтный блок с устройством контроля / Неугодников И.П.; заявитель и патентообладатель Уральский государственный университет путей сообщения (RU). - заявка 2003129306/09; заявл. 01.10.2003; опубл. 10.05.2005. Бюл. №13. - 9 с.: ил.