СИЛОВАЯ ЧАСТЬ КОНТРОЛЛЕРА ПОДЪЕМНОЙ ИЛИ ТРАНСПОРТНОЙ МАШИНЫ
POWER SECTION OF HANDLING MACHINE CONTROLLER

Изобретение относится к машиностроению и может быть использовано в бортовых системах контроля, защиты и управления грузоподъемных кранов, автогидроподъемников, экскаваторов, самосвалов, погрузчиков, тракторов, автомобилей и других подъемных и транспортных машин.
Известна силовая часть контроллера системы безопасности подъемной машины (грузоподъемного крана), содержащая силовые ключи, входы управления которых подключены к выходам цифрового вычислителя электронного блока или блока расширения входов/выходов, а выходы - к исполнительным устройствам [1], [2].
Недостатком этого устройства является невысокая надежность, вызванная отсутствием его защиты от перенапряжений в цепи питания и от включения источника питания обратной полярностью.
Наиболее близкой к предложенной является силовая часть контроллера грузоподъемного крана (подъемной машины), содержащая диодно-конденсаторный блок развязки питающего напряжения и сигналов в линии связи, а также выходные устройства, соединенные с нагрузками и выполненные в виде силовых электронных ключей или электромагнитных реле. Входы управления выходных устройств соединены с выходами управляющего устройства, реализованного на основе микроконтроллера. Электрическое питание контроллера, в силу его размещения на грузоподъемном кране, осуществляется от генератора, имеющего привод от двигателя машины, и от аккумулятора [3].
Наличие диода в силовой цепи этого контроллера приводит к повышенным потерям энергии при работе с мощными нагрузками и, соответственно, увеличивает самопрогрев контроллера. Конденсатор, установленный в цепи питания, не обеспечивает эффективной защиты контроллера от перенапряжений в бортовой сети машины, особенно от перенапряжений повышенной длительности. Кроме того, в известном устройстве не предусмотрена защита силовых ключей от выхода из строя при коммутации мощных нагрузок с повышенной индуктивностью.
Техническими результатами, на достижение которых направлено предложенное техническое решение, являются:
- обеспечение возможности работы контроллера при более высоких значениях температуры окружающей среды;
- обеспечение возможности размещения контроллера в моторном отсеке машины;
- снижение мощности, потребляемой контроллером от бортовой сети машины;
- обеспечение возможности управления мощными нагрузками, имеющими повышенные значения индуктивности.
Предложенное устройство представляет собой силовую часть контроллера подъемной или транспортной машины, предназначенного для реализации функций контроля, защиты, и/или управления машины и получающего электрическое питание от генератора, имеющего привод от двигателя машины и/или от аккумулятора. Эта силовая часть содержит силовые электромеханические или электронные ключи, подключенные к устройству управления. Силовая часть каждого ключа и его нагрузка, соединенные последовательно, непосредственно или через устройство измерения тока, фильтрации напряжения питания и/или защиты от подключения электрического питания обратной полярностью, подключены к выводам питания контроллера. С целью достижения указанных технических результатов устройство управления, а также силовая часть каждого ключа в силовой части контроллера оснащены раздельными устройствами защиты от перенапряжений и/или от подключения электрического питания обратной полярностью.
Кроме того, для достижения этих технических результатов в силовой цепи контроллера, в частности:
- устройство защиты силовой части каждого ключа от перенапряжений содержит варистор или ограничительный диод, подключенный параллельно к его силовым выводам, и выполнено с возможностью пропускания в нагрузку части напряжения питания контроллера, превышающего напряжение ограничения этого варистора или ограничительного диода;
- устройство защиты силовой часть ключа от подключения напряжения питания обратной полярностью выполнено в виде диода, подключенного параллельно силовым выводам ключа, с возможностью пропускания напряжения питания обратной полярности в нагрузку, либо диода, включенного последовательно с нагрузкой;
- дополнительно установлено устройство защиты от перенапряжений в цепи питания, включенное параллельно выводам питания контроллера, причем максимальный импульсный ток и поглощаемая энергия этого устройства защиты установлены из условия возможности подавления импульсов перенапряжения на выходе генератора, в том числе возникающих при отключенной аккумуляторной батарее после отключения наиболее сильноточной нагрузки машины. Это устройство защиты выполнено, в частности, в виде варистора, ограничительного диода и/или низкоомного поглощающего резистора, оснащенного устройством его подключения параллельно выводам питания контроллера в случае превышения напряжения питания контроллера предельно допустимой величины;
- содержит установленный последовательно в силовой цепи питания контроллера диод Шоттки, выпрямительный диод, полевой транзистор и/или включенные в эту цепь нормально разомкнутые контакты электромагнитного (электромеханического) реле, которое включается управляющим устройством только в случае подключения электрического питания к контроллеру нормальной полярностью;
- управляющее устройство осуществляет контроль тока в цепи питания контроллера и формирует сигналы управления обмоткой электромеханического реле, контакты которого включены параллельно диоду или транзистору устройства защиты контроллера от подключения к нему электрического питания обратной полярностью, в случае, если потери энергии на обмотке электромеханического реле меньше, чем на указанном диоде или транзисторе;
- управляющее устройство формирует широтно-импульсный сигнал управления обмоткой электромеханического реле из условия стабилизации тока в этой обмотке при изменении напряжения питания контроллера, а также снижения величины этого тока после срабатывания реле, определяемого, в частности, по величине напряжения на его контактах;
- устройство фильтрации напряжения питания содержит, по меньшей мере, один конденсатор или LC-фильтр, дроссель в котором включен последовательно в цепь питания контроллера, а свободный вывод конденсатора подключен к минусовому проводу питания контроллера или к «массе» машины;
- управляющее устройство использует величину напряжения на устройстве защиты контроллера от подключения к нему электрического питания обратной полярностью для измерения величины тока в силовой цепи контроллера с последующим изменением сигналов управления силовыми ключами, преимущественно соединенными с наиболее сильноточными нагрузками, с целью ограничения этого тока;
- в цепи питания контроллера дополнительно установлен дроссель, самовосстанавливающийся предохранитель, терморезистор, низкоомный резистор или плавкий предохранитель.
Отличительные признаки заявленного технического решения, изложенные в независимом пункте формулы, в общем виде характеризуются применением раздельных устройств защиты от перенапряжений и/или от подключения электрического питания обратной полярностью для устройства управления контроллера и его силовых ключей.
Из уровня техники известны многочисленные технические решения по реализации силовой части контроллеров различного назначения. Однако в них для устройства управления и силовой части контроллера используются общие (объединенные) устройства защиты от перенапряжений и от подключения напряжения питания обратной полярностью (например, [1], [2], [3], RU 43108 U1, 27.12.2004; RU 42921 U1, 20.12.2004; DE 10216015 A1, 17.10.2002; DE 2912415 A1, 09.10.1980; WO 98/59421 A1, 30.12.1998; RU 2270500 C2, 20.02.2006; RU 43334 U1, 10.01.2005 и т.д.).
Соответственно известные технические решения не содержат отличительных признаков заявленного изобретения. Кроме того, из уровня техники неизвестно влияние отдельных признаков известных устройств защиты от перенапряжений и от подключения напряжения питания обратной полярностью на те технические результаты, на достижение которых направлено заявленное изобретение.
При работе контроллера на подъемной или транспортной машине температура его компонентов определяется суммой температуры окружающей среды в месте установки контроллера и температуры его самопрогрева за счет тепла, выделяющегося на компонентах силовой части этого контроллера. По этой причине снижение самопрогрева контроллера обеспечивает не только снижение мощности, потребляемой контроллером от бортовой сети машины, но и возможность его применения при более высоких значениях температуры окружающей среды.
Предельно допустимое значение рабочего напряжения электронных компонентов понижается с ростом их температуры. Поэтому более эффективное подавление импульсных перенапряжений в цепи питания контроллера, а также реализация более экономичной, с точки зрения минимизации выделения тепла, защиты от включения напряжения питания обратной полярностью, также обеспечивает возможность работы контроллера при более высоких значениях температуры окружающей среды.
Установка контроллера в моторном отсеке машины характеризуется не только повышенной рабочей температурой, но и повышенной амплитудой импульсных помех в цепи питания вследствие более близкого расположения этого контроллера к цепям электростартерного запуска и к системе зажигания (для бензиновых двигателей), повышенными значениям сопротивления питающих проводов между этим контроллером и аккумуляторной батарей (ввиду ее удаленности) и т.д. Поэтому снижение самопрогрева контроллера, в сочетании с реализацией более эффективной защитой от перенапряжений в цепях его питания, обеспечивает возможность размещения контроллера в моторном отсеке машины.
Более эффективное подавление импульсных перенапряжений на силовом ключе обеспечивает также возможность управления мощными нагрузками машины, имеющими повышенные значения индуктивности.
Из уровня техники неизвестны также отдельные признаки зависимых пунктов формулы изобретения. Например, неизвестны устройства защиты от перенапряжений в виде комбинации варистора и низкоомного поглощающего резистора, коммутируемого электромагнитным реле. Неизвестно применение электромагнитного реле для шунтирования диода или транзистора в цепи защиты от подключения напряжения питания обратной полярностью при увеличении тока в силовой цепи контроллера с целью снижения в нем потерь энергии. Неизвестно измерение напряжения на устройстве защиты контроллера от подключения к нему электрического питания обратной полярностью для контроля тока в силовой цепи контроллера и последующего управления силовыми ключами из условия ограничения токовых перегрузок.
Поэтому отличительные признаки заявленного технического решения, не известные из уровня техники, обеспечивают достижение указанных технических результатов.
На фиг.1 в обобщенном виде приведена схема силовой части контроллера и системы электроснабжения подъемной или транспортной машины, в которой реализованы раздельные устройства защиты от перенапряжений и общее устройство защиты от подключения напряжения питания обратной полярностью.
На фиг.2 приведена схема силовой части контроллера с раздельными устройствами защиты устройства управления и силовой части ключа от подключения напряжения питания обратной полярностью. На этом же чертеже показан пример реализации устройства защиты от перенапряжений в виде комбинации варистора и низкоомного поглощающего резистора, коммутируемого электромагнитным реле.
Контроллер подъемной или транспортной машины получает электрическое питание от генератора 1, имеющего привод от двигателя машины, и от аккумулятора 2 (фиг.1). В общей цепи питания может быть установлено общее устройство коммутации и защиты от перегрузок по току, выполненное в виде автомата защиты сети, предохранителя и т.п. (на чертеже условно не показано).
Контроллер является составной частью системы электрооборудования машины и может именоваться модулем, блоком, пультом, исполнительным устройством, аппаратом управления и т.д. Его силовая часть содержит, по меньшей мере, один силовой электромеханический или электронный ключ 3, получающий сигналы управления от устройства управления 4.
Силовой ключ может 3 быть выполнен с функцией измерения коммутируемого им тока нагрузки 5. В этом случае информационный токовый выход силового ключа I подключен к соответствующему входу устройства управления 4.
Устройство управления 4 может быть выполнено на основе микроконтроллера или дискретных компонентов и, в общем случае, содержит цепи питания, цепи согласования с силовыми ключами и с комплексом аналоговых, цифровых и дискретных датчиков параметров машины (датчиков температуры, давления, нагрузки машины и т.д.), параметров внешней среды (температуры окружающей среды, скорости ветра и т.д.) и управляющих воздействий машиниста. В состав устройства управления 4 могут входить также органы управления системой электрооборудования и машиной (кнопки, переключатели, клавиши, джойстики и т.д.), элементы индикации и т.д.
Устройство управления 4 может иметь встроенный проводной (LIN, CAN и т.п.) или беспроводной интерфейс для обмена данными с другими контроллерами системы электрооборудования машины, а также встроенные выходные устройства, формирующие сигналы управления различными исполнительными устройствами машины, например, формирующие пропорциональные сигналы управления гидравлическими распределителями приводов машины.
Силовая часть контроллера может иметь устройство защиты от подключения электрического питания обратной полярностью 6, устройство измерения тока 7, устройство фильтрации напряжения питания, выполненное в виде конденсатора 8 или LC-фильтра, или любую комбинацию этих устройств.
Устройство защиты контроллера от подключения к нему электрического питания обратной полярностью 6 может быть реализовано на основе диода 9, предпочтительно диода Шоттки, полевого транзистора 10 или электромеханического (электромагнитного) реле с нормально разомкнутыми контактами 11, обмотка 12 которого коммутируется дополнительным ключом 13. Возможно также одновременное применение диода 9 или транзистора 10 и электромагнитного реле 11, 12.
В этом варианте реализации силовой части контроллера устройства защиты от перенапряжений выполнены раздельными. Устройство защиты силовой части ключа 3 выполнено в виде варистора 14 или ограничительного диода, а устройство защиты устройства управления 4 - в виде ограничительного диода (стабилитрона) 15 и ограничительного резистора или источника тока 16. Причем элементы защиты устройства управления 4 от перенапряжений могут быть включены как в минусовую (показано на фиг.1), так и в плюсовую цепь питания этого устройства 4.
Устройство защиты от перенапряжений в цепи питания устройства управления 4 может быть выполнено также в виде линейного или импульсного стабилизатора напряжения, а также активного фильтра.
Во втором варианте реализации силовой части контроллера, показанной на фиг.2, применены раздельные устройства защиты силовых частей ключей 3, 17, соединенных с нагрузками 5, 18, и устройства управления 4 от включения напряжения питания обратной полярностью. Защиту устройства управления 4 осуществляет диод 19, а силовых частей ключей 3, 17 - диод 20 (предпочтительный вариант), либо диод 22.
На этом же чертеже показаны раздельные устройства защиты от перенапряжений 14, 21 силовых ключей 3, 17.
В дополнение к установленным раздельным устройствам защиты устройства управления 4 и силовой частей ключа 3 (или силовых частей ключей 3, 17) от перенапряжений, силовая часть контроллера может содержать общее устройство защиты от перенапряжений в цепи питания контроллера.
Это устройство, показанное на фиг.2, выполнено, в частности, в виде варистора 23 и/или ограничительного диода и, по меньшей мере, одного низкоомного поглощающего резистора 24, который подключается параллельно выводам питания контроллера в случае превышения напряжения питания контроллера предельно допустимой величины. Это подключение может осуществляться мощным полевым транзистором или контактами реле 25, управляемого с помощью ключа 26 от устройства управления 4.
Сигнал управления ключом 26, формируемый устройством управления 4, может иметь широтно-импульсную модуляцию, обеспечивающую стабилизацию тока в обмотке реле 25 или снижение этого тока после замыкания контактов реле (для реализации форсированного включения реле 25 при появлении импульсов перенапряжения и его ускоренного отключения после нормализации напряжения питания). Диод 27 в этом случае обеспечивает снижение перенапряжений на ключе 26, возникающих при коммутации обмотки реле 25, обладающей индуктивностью.
Управление ключом 26, либо мощным полевым транзистором, использующимся вместо реле 25, может осуществляться также без устройства управления 4. Например, с помощью порогового устройства, реализованного на стабилитроне и включенного между плюсовым выводом питания контроллера и управляющим входом ключа 26 или затвором полевого транзистора.
Описанное устройство защиты от перенапряжений, реализованное с использованием комбинации варистора 23 и коммутируемого низкоомного резистора 24, может использоваться также для защиты силовой части ключей 3, 17 (вместо варисторов 14, 21, показанных на фиг.1, фиг.2).
В случае коммутации резистора 24 мощным полевым транзистором, его сопротивление может быть выбрано на уровне, не превышающем сопротивления наиболее мощной нагрузки в системе электрооборудования машины. В этом случае пропорциональное или широтно-импульсное управление этим полевым транзистором дает возможность полностью погасить импульсы перенапряжения, создаваемые генератором 1 при отключении этой нагрузки.
При коммутации резистора 24 контактами реле 25 сопротивление резистора 24 может быть выбрано на уровне, вдвое превышающем сопротивление наиболее мощной нагрузки. Это дает возможность, за счет реализации ступенчатого снижения нагрузки на генератор 1, вдвое снизить амплитуду импульсов перенапряжения, создаваемых генератором после отключении этой мощной нагрузки.
В обоснованных случаях с целью повышения эффективности защиты контроллера от перенапряжений и от включения напряжения питания обратной полярностью, в цепь питания контроллера может быть дополнительно включен дроссель 28, самовосстанавливающийся предохранитель 29, терморезистор, плавкий предохранитель, низкоомный резистор или любая комбинация этих защитный устройств.
Контроллер с предложенной силовой частью работает следующим образом.
При работе подъемной или транспортной машины генератор 1, имеющий привод от ее двигателя, обеспечивает подзарядку аккумуляторной батареи 2 и является источником энергии для всей системы электрооборудования. Его номинальное выходное напряжение составляет, например, +27 В постоянного тока.
Напряжение питания от бортовой сети машины поступает на контроллеры системы электрооборудования машины.
Контроллеры, в общем случае объединенные между собой посредством мультиплексной линии обмена данными или отдельных информационных линий связи, осуществляют обработку сигналов датчиков, а также формирование сигналов управления исполнительными устройствами машины, в том числе путем включения/отключения силовых ключей 3, 17, соединенных с нагрузками 5, 18. Благодаря этому реализуются функции контроля, защиты и управления машины подъемной или транспортной машины.
Импульсные перенапряжения, возникающие при коммутации нагрузок 5, 18, имеющих, как правило, активно-индуктивный характер, подавляются устройствами защиты (варисторами) 14, 21. Они же обеспечивают защиту силовых частей ключей 3, 17 от перенапряжений в цепи питания.
Отличительной особенностью этого способа защиты является то, что импульсы перенапряжения, превышающие по величине напряжение ограничения варисторов 14, 21, пропускаются в нагрузки 5, 18.
Защита устройства управления 4 от перенапряжений в цепи питания осуществляется при этом с помощью отдельных параметрических стабилизаторов 15, 16, активных фильтров, линейных или импульсных стабилизаторов напряжения.
Защита силовых частей ключей 3 (на фиг.1 показан один из них) от включения напряжения питания обратной полярностью может осуществляться с помощью общего устройства 6, реализованного на основе диода 9 (преимущественно диода Шоттки), полевого транзистора 10 или электромеханического реле 11, 12.
Возможность применения полевого транзистора 10 основана его способностью работать в четвертом квадранте вольтамперной характеристики, то есть при протекании тока в обратном направлении - от истока к стоку.
С целью снижения мощности тепловых потерь на этом устройстве 6, для защиты от включения напряжения обратной полярности могут использоваться одновременно как диод 9 или транзистор 10, так и электромагнитное реле 11, 12.
Величина тепловых потерь на диоде 9 или транзисторе 10 возрастает с увеличением тока, потребляемого контроллером. В то же время мощность, потребляемая обмоткой 12, остается постоянной. Поэтому существует величина тока, свыше которой, с целью снижения температуры самопрогрева контроллера, целесообразно осуществить включение реле 11, 12. Это включение реализует устройство управления 4 после соответствующего контроля величины тока в цепи питания контроллера.
При реализации управления ключом 13 величина тока в силовой цепи контроллера может определятся с помощью отдельного датчика тока 7 либо как сумма токов, протекающих по силовым ключам 3, если они выполнены с функцией измерения коммутируемого ими тока.
С целью дополнительного снижения тепловых потерь после замыкания контактов 11 реле, устройство управления 4 может снизить величину тока в обмотке 12 реле и, соответственно, мощность, выделяемую в этой обмотке. В этом случае устройство управления 4 формирует широтно-модулированный сигнал управления ключом 13.
При низких величинах напряжения в бортовой сети машины, когда срабатывание этого реле невозможно, сигнал управления ключом 13 блокируется.
Устройство защиты от включения напряжения питания обратной полярностью 6 одновременно с выполнением им его основной функции может использоваться для реализации защиты контроллера от токовых перегрузок. В этом случае управляющее устройство 4, реализованное, в частности, на основе микроконтроллера, оснащенного аналого-цифровыми преобразователями, измеряет падения напряжения на устройстве защиты 6 и на основании измеренной величины определяет величину тока в силовой цепи контроллера. Далее микроконтроллер устройства управления 4, работая по программе, осуществляет отключение или уменьшение сигналов управления силовым ключом 3, либо группой силовых ключей, из условия предотвращения превышения величины этого тока его предельно допустимого значения. При этом может осуществляться приоритетное отключение или уменьшения сигнала управления тем силовым ключом, который соединен с наиболее сильноточной нагрузкой.
При раздельной реализации защиты силовых ключей 3, 17 от подключения электрического питания обратной полярностью, параллельно силовому ключу, либо последовательно с его выходом, устанавливаются диоды 20, 22.
В первом случае напряжение обратной полярности диодом 20 пропускается в нагрузку, напряжение на силовых выводах ключа 3 становится близким к нулю, что исключает его выход из строя. Во втором случае диод 22 блокирует ток, протекающий через ключ 17, что также предотвращает его выход из строя. Первый вариант защиты более предпочтителен, поскольку его реализация не приводит к увеличению потерь энергии в нормальном режиме работы контроллера.
Импульс перенапряжения, возникающий на выходе генератора 1 в момент отключения мощных нагрузок, особенно в случае отсутствия аккумуляторной батареи 2, может быть ограничен варистором 23 и низкоомным поглощающим резистором 24, коммутируемым контактами реле 25.
В этом случае ввиду инерционности реле 25, передний фронт импульса перенапряжения блокируется варистором 23. Поскольку допустимая величина энергии, поглощаемой варистором, имеет ограниченную величину, реле 25, осуществляя подключение мощного низкоомного поглощающего резистора 24, осуществляет защиту от перенапряжений не только контроллера, но и варистора 23.
Сопротивление резистора 24, коммутируемого контактами реле 25, может быть выбрано из условия протекания по нему тока, равного половине тока наиболее мощной нагрузки в системе электрооборудования машины. В этом случае при отключении мощных нагрузок осуществляется ступенчатое снижение нагрузки на генератор 1, что приводит к снижению амплитуды и энергии импульсов перенапряжений на его выходе.
В случае коммутации поглощающего резистора 24 электронным ключом, например, мощным полевым транзистором, управление этим ключом может осуществляться аналоговым или широтно-импульсным сигналом, формируемым устройством управления 4. В этом случае сопротивление резистора 24 может иметь небольшую величину.
В случае необходимости в силовой части контроллера может быть установлен конденсатор 8 или LC-фильтр 8, 28, обеспечивающий подавление импульсных перенапряжений малой длительности. С этой же целью в силовой цепи может быть установлен самовосстанавливающийся предохранитель 29, терморезистор, низкоомный резистор или плавкий предохранитель, сопротивление которого совместно с конденсатором 8 образует RC-фильтр.
В данном описании схематично приведены лишь частные варианты реализации предложенной силовой части контроллера. Изобретение охватывает другие возможные варианты ее исполнения и их эквиваленты без отступления от сущности изобретения, изложенной в его формуле.