УСТРОЙСТВО УПРАВЛЕНИЯ СТРЕЛОЧНЫМ ЭЛЕКТРОПРИВОДОМ
ELECTRIC POINT MACHINE CONTROL ARRANGEMENT

Изобретение относится к управлению движением на железных дорогах, а именно к дистанционному управлению местными приводами стрелок сигналов и тормозных башмаков, установленных на путях.
Известны электроприводы, содержащие электродвигатель постоянного тока, и известны электроприводы, содержащие электродвигатель переменного тока.
Для управления электроприводом с электродвигателем постоянного тока используется двухпроводная схема управления. Управление направлением вращения вала электродвигателя осуществляется путем подключения напряжения к разным обмоткам двигателя. (Станционные системы автоматики. Рогачева И.Л., Варламова А.А., Леонтьев А.В. - М.: ГОУ «Учебно-методический центр по образованию на железнодорожном транспорте», 2007. - 411 с.).
Для управления электроприводом с электродвигателем переменного тока используется пятипроводная схема управления. Управление направлением вращения вала электродвигателя осуществляется путем изменения последовательности подключения фаз к электродвигателю. (Станционные системы автоматики. Рогачева И.Л., Варламова А.А., Леонтьев А.В. - М.: ГОУ «Учебно-методический центр по образованию на железнодорожном транспорте», 2007. - 411 с.).
Наиболее близким по техническому исполнению к предложенному устройству является устройство, содержащее устройство коммутации, линейные провода, автопереключатель, электродвигатель, регулятор тока [Патент РФ «УСТРОЙСТВО ДЛЯ УПРАВЛЕНИЯ СТРЕЛОЧНЫМ ЭЛЕКТРОПРИВОДОМ» №2333123,  Любшин Денис Анатольевич (RU), Кац Аркадий Борисович (RU)].
Недостатками данного устройства являются:
1) Сложность изготовления трехфазного регулятора тока.
2) Необходимость контроля фаз, так как при пропадании одной фазы электродвигатель выходит из строя.
3) Управляющая аппаратура имеет низкую эксплуатационную надежность и малый срок службы из-за интенсивной эрозии контактов реле рабочим током, особенно при пуске двигателя и его реверсирования из среднего положения стрелки.
4) Невозможность обеспечить плавный пуск и останов электродвигателя, регулировку скорости вращения вала электродвигателя, регулировку длительности разгона и торможения.
5) Невозможность использования устройства (без внесения изменений) с двигателями постоянного и переменного тока.
Заявленное изобретение направлено на решение задачи повышения 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.
Поставленная задача возникает при разработке и создании систем управления движением на железных дорогах.
Заявленное устройство строится на основе микроконтроллера и шести электронных ключей. Варианты технического исполнения описаны в [Микроконтроллерное управление электроприводом. К.Б. Алексеев, К.А. Палагута, М.:  МГИУ. 2008. 297 с. Б. Кричевский. Интеллектуальный мост IR3220 для управления двигателями постоянного тока. Электронные компоненты, №6, 2004. Владимир Башкиров. IRAMSxx - интеллектуальные силовые IGBT- модули для электропривода широкого применения. Новости электроники. 2007, №7, с. 14. Marian P. Kazmierkowski, Leopoldo G. Franquelo, Jose Rodriguez, Marcelo A. Perez, Jose I. Leon, "High-Performance Motor Drives", IEEE Industrial Electronicsd, vol. 5, no. 3, pp. 6-26, Sep. 2011].
Микроконтроллер совместно с электронными ключами обеспечивает:
1) Преобразование постоянного напряжения в три широтно-импульсных сигнала для питания электродвигателя для вращения вала двигателя как в прямом, так и в обратном направлении.
2) Плавный пуск и останов электродвигателя, путем регулировки скорости вращения вала электродвигателя.
3) Регулировку длительности разгона и торможения электродвигателя.
Сущность изобретения состоит в том, что в устройство, содержащее линейные провода, электродвигатель, 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.
Функциональная схема устройства представлена на фиг. 1.
i
i=1…2
i
i=1…6
Устройство состоит из устройства смены полярности 1, линейных проводов 2,, однофазного выпрямителя 3, микроконтроллера 4, шести электронных ключей 5,, устройства определения полярности 6, электродвигателя 7.
Устройство смены полярности 1 может быть выполнено одним из известных в технике способов, например с помощью двухполюсного переключателя фиг. 2.
Устройство определения полярности 6 может быть выполнено одним из известных в технике способов, например в соответствии с патентом [Патент №2076329 Устройство для индикации полярности, рода тока и сопротивления цепи. Бирюков Юрий Аркадьевич].
Первым и вторым входами устройства являются первый и второй входы устройства смены полярности 1. Третьим и четвертым входами устройства являются третий и четвертый входы устройства смены полярности 1.
i
i=1…2
Первый и второй выходы устройства смены полярности 1 через линейные провода 2, подключены к первому и второму входам однофазного выпрямителя 3 и к первому и второму входам устройства определения полярности 6.
1
2
3
4
5
6
Первый выход однофазного выпрямителя 3 подключен к вторым входам первого, второго и третьего электронных ключей 5, 5, 5 и к первому входу микроконтроллера 4. Второй выход однофазного выпрямителя 3 подключен к вторым входам четвертого, пятого и шестого электронных ключей 5, 5, 5 и ко второму входу микроконтроллера 4.
Первый и второй выходы устройства определения полярности подключены к третьему и четвертому входам микроконтроллера 4.
1
2
3
4
5
6
Первый, второй, третий, четвертый, пятый и шестой выходы микроконтроллера 4 подключены к первым входам первого, второго, третьего, четвертого, пятого и шестого электронных ключей 5, 5, 5, 5, 5, 5.
1
4
2
5
3
6
Выходы первого и четвертого электронных ключей 5 и 5 объединены и подключены к первому входу электродвигателя 7. Выходы второго и пятого электронных ключей 5 и 5 объединены и подключены ко второму входу электродвигателя 7. Выходы третьего и шестого электронных ключей 5 и 5 объединены и подключены к третьему входу электродвигателя 7.
Устройство работает следующим образом.
На третий и четвертый входы устройства подается постоянное напряжение питания. На третий вход устройства подается положительный полюс питания, а на четвертый отрицательный полюс питания.
В случае использования электродвигателя постоянного тока устройство работает следующим образом.
При переводе стрелки в плюсовое положение на первый вход устройства подается сигнал, который поступает на первый вход устройства смены полярности 1.
i
i=1…2
i
i=1…2
i
i=1…2
Постоянное напряжение с третьего и четвертого входов устройства через устройство смены полярности 1 подается в линейные провода 2,. При переводе стрелки в плюс смена полярности не осуществляется - в линейные провода 2, подается прямая полярность. Из линейных проводов 2, напряжение прямой полярности поступает на первый и второй входы выпрямителя 3 и первый и второй входы устройства определения полярности 6.
Прямая полярность на входе устройства определения полярности 6 приводит к появлению на его первом выходе сигнала для перевода стрелки в плюсовое положение. Сигнал с первого выхода устройства определения полярности 6 поступает на третий вход микроконтроллера 4.
1
2
3
4
5
6
Пройдя через выпрямитель 3, напряжение прямой полярности с первого и второго выходов выпрямителя 3 поступает на первый и второй входы микроконтроллера 4. Напряжение с выхода выпрямителя 3 поступает на вторые входы первого, второго и третьего электронных ключей 5, 5, 5 (положительный потенциал) и вторые входы четвертого, пятого и шестого электронных ключей 5, 5, 5 (отрицательный потенциал).
5
Микроконтроллер 4 переводит пятый выход в активное состояние, в результате отрицательный потенциал с выхода выпрямителя 3 через включенный пятый электронный ключ 5 поступает на второй вход электродвигателя 7.
3
Микроконтроллер 4 формирует на третьем выходе широтно-импульсный сигнал в результате положительный потенциал с выхода выпрямителя 3, в моменты включения электронного ключа 5 поступает на третий вход электродвигателя 7.
Вал электродвигателя 7 начинает вращаться в прямом направлении, переводя стрелку в плюсовое положение. Микроконтроллер 4 плавно увеличивает коэффициент заполнения широтно-импульсного сигнала, что приводит к увеличению действующего напряжения на двигателе, исключая многократные перегрузки при пуске двигателя 7.
При достижении плюсового положения стрелки постоянное напряжение питания отключается от третьего и четвертого входов устройства.
При переводе стрелки в минусовое положение на второй вход устройства подается сигнал, который поступает на второй вход устройства смены полярности 1.
i
i=1…2
i
i=1…2
i
i=1…2
Постоянное напряжение с третьего и четвертого входов устройства через устройство смены полярности 1 подается в линейные провода 2,. При переводе стрелки в минусовое положение осуществляется смена полярности - в линейные провода 2, подается обратная полярность. Из линейных проводов 2, напряжение обратной полярности поступает на первый и второй входы выпрямителя 3 и первый и второй входы устройства определения полярности 6.
Обратная полярность на входе устройства определения полярности 6 приводит к появлению на его втором выходе сигнала для перевода стрелки в минусовое положение. Сигнал с выхода устройства определения полярности 6 поступает на четвертый вход микроконтроллера 7.
1
2
3
4
5
6
Пройдя через выпрямитель 3, напряжение прямой полярности с первого и второго выходов выпрямителя 3 поступает на первый и второй входы микроконтроллера 4. Напряжение с выхода выпрямителя 3 поступает на вторые входы первого, второго и третьего электронных ключей 5, 5, 5 (положительный потенциал) и вторые входы четвертого пятого и шестого электронных ключей 5, 5, 5 (отрицательный потенциал).
4
Микроконтроллер 4 переводит четвертый выход в активное состояние, в результате отрицательный потенциал с выхода выпрямителя 3 через включенный четвертый электронный ключ 5 поступает на первый вход электродвигателя 7.
2
Микроконтроллер 4 формирует на втором выходе широтно-импульсный сигнал, в результате положительный потенциал с выхода выпрямителя 3 в моменты включения второго электронного ключа 5 поступает на второй вход электродвигателя 7.
Вал электродвигателя 7 начинает вращаться в обратном направлении, переводя стрелку в минусовое положение. Микроконтроллер 4 плавно увеличивает обороты двигателя, исключая многократные перегрузки при пуске двигателя.
При достижении минусового положения стрелки постоянное напряжение питания отключается от третьего и четвертого входов устройства.
В случае использования электродвигателя переменного тока устройство работает следующим образом.
При переводе стрелки в плюсовое положение на первый вход устройства подается сигнал, который поступает на первый вход устройства смены полярности 1. На третий и четвертый входы устройства подается постоянное напряжение питания. На третий вход устройства подается положительный полюс питания, а на четвертый отрицательный полюс питания.
i
i=1…2
i
i=1…2
i
i=1…2
Постоянное напряжение с третьего и четвертого входов устройства через устройство смены полярности 1 подается в линейные провода 2,. При переводе стрелки в плюс смена полярности не осуществляется - в линейные провода 2, подается прямая полярность. Из линейных проводов 2, напряжение прямой полярности поступает на первый и второй входы выпрямителя 3 и первый и второй входы устройства определения полярности 6.
Пройдя через выпрямитель 3, напряжение прямой полярности с первого и второго выходов выпрямителя 3 поступает на первый и второй входы микроконтроллера 4.
1
2
3
4
5
6
Пройдя через выпрямитель 3, напряжение прямой полярности с первого и второго выходов выпрямителя 3 поступает на первый и второй входы микроконтроллера 4. Напряжение с выхода выпрямителя 3 поступает на вторые входы первого, второго и третьего электронных ключей 5, 5, 5 (положительный потенциал) и вторые входы четвертого, пятого и шестого электронных ключей 5, 5, 5 (отрицательный потенциал).
Прямая полярность на входе устройства определения полярности 6 приводит к появлению на его первом выходе сигнала для перевода стрелки в плюсовое положение. Сигнал с первого выхода устройства определения полярности 6 поступает на третий вход микроконтроллера 4.
i
i=1…6
Микроконтроллер 4 формирует на шести выходах широтно-импульсные сигналы, которые поступают на электронные ключи 5,. В результате на первом, втором и третьем входах электродвигателя 7 формируются три широтно-импульсных сигнала для вращения вала двигателя 7 в прямом направлении. Вал электродвигателя 7 начинает вращаться в прямом направлении, переводя стрелку в плюсовое положение. Микроконтроллер 4 плавно увеличивает обороты двигателя, исключая многократные перегрузки при пуске двигателя 7.
При достижении плюсового положения стрелки постоянное напряжение питания отключается от третьего и четвертого входов устройства.
При переводе стрелки в минусовое положение на второй вход устройства подается сигнал, который поступает на второй вход устройства смены полярности 1.
i
i=1…2
i
i=1…2
i
i=1…2
Постоянное напряжение с третьего и четвертого входов устройства через устройство смены полярности 1 подается в линейные провода 2,. При переводе стрелки в минусовое положение осуществляется смена полярности - в линейные провода 2, подается обратная полярность. Из линейных проводов 2, напряжение обратной полярности поступает на первый и второй входы выпрямителя 3 и первый и второй входы устройства определения полярности 6.
Пройдя через выпрямитель 3, напряжение обратной полярности с первого и второго выходов выпрямителя 3 поступает на первый и второй входы микроконтроллера 4 в прямой полярности.
1
2
3
4
5
6
Пройдя через выпрямитель 3, напряжение прямой полярности с первого и второго выходов выпрямителя 3 поступает на первый и второй входы микроконтроллера 4. Напряжение с выхода выпрямителя 3 поступает на вторые входы первого, второго и третьего электронных ключей 5, 5, 5 (положительный потенциал) и вторые входы четвертого, пятого и шестого электронных ключей 5, 5, 5 (отрицательный потенциал).
Обратная полярность на входе устройства определения полярности 6 приводит к появлению на его втором выходе сигнала для перевода стрелки в минусовое положение. Сигнал с выхода устройства определения полярности 6 поступает на четвертый вход модуля управления электродвигателем 4.
i
i=1…6
Микроконтроллер 4 формирует на шести выходах широтно-импульсные сигналы, которые поступают на электронные ключи 5,.. В результате на первом, втором и третьем входах электродвигателя 7 формируются три широтно-импульсных сигнала для вращения вала двигателя 7 в обратном направлении, которые поступают на электродвигатель 7. Вал электродвигателя 7 начинает вращаться в обратном направлении, переводя стрелку в минусовое положение. Микроконтроллер 4 плавно увеличивает обороты двигателя, исключая многократные перегрузки при пуске двигателя 7.
При достижении минусового положения стрелки постоянное напряжение питания отключается от третьего и четвертого входов устройства. Таким образом, при подаче сигнала на первый вход устройства происходит перевод стрелки в плюсовое положение, а при подаче сигнала на второй вход происходит перевод стрелки в минусовое положение. Причем управление осуществляется по двум проводам, как трехфазным электродвигателем переменного тока, так и электродвигателем постоянного тока одним и тем же устройством.