УДК 629.423 | (РГУПС), (л. д. ст. Тимашевская), (РГУПС) |
СИСТЕМА УПРАВЛЕНИЯ ВСПОМОГАТЕЛЬНЫМИ ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЯМИ ЭЛЕКТРОВОЗА
Создание высокоэффективной системы управления и защиты электродвигателей, удовлетворяющей современным требованиям по техническим и экономическим показателям, способной эффективно работать как автономно, так и в составе единого комплекса приборов регулирования сложными объектами, такими как, например, магистральные локомотивы, представляет собой достаточно актуальную научно-техническую задачу.
На магистральных электровозах помимо основных тяговых электродвигателей установлен ряд вспомогательных электродвигателей, которые используются в системах охлаждения силовых установок электровоза – тягового трансформатора, выпрямителей, тяговых двигателей и в приводе компрессора. В частности, локомотив ЧС-8, широко эксплуатируемый на российских железных дорогах, на каждой из двух секций имеет по четыре вспомогательных электродвигателя постоянного тока, мощностью по 25 кВт. Номинальное напряжение двигателей 440 В, номинальный ток ¾ 70 А. Два электродвигателя предназначены для привода вентиляторов охлаждения силовых выпрямительных установок и тяговых двигателей, третий ¾ для вентилятора охлаждения тягового трансформатора. Четвертый электродвигатель приводит в движение компрессор, обеспечивающий воздухом всю пневмосистему локомотива. Существующая система управления перечисленными электродвигателями морально и физически устарела, ее ремонт в современных условиях (нарушение экономических связей и т. д.) вызывает значительные трудности.
В данной работе описывается разработанная на кафедре ВТ и АСУ РГУПС система управления вспомогательными машинами электровоза ЧС-8 на базе программируемого микроконтроллера, обладающая улучшенными технико-экономическими показателями, свойствами предупредительного действия, повышенной точностью контроля управляемыми объектами. Эта система может быть применена и на электровозах российского производства.
Функции и задачи системы управления
Разработанная система управления для I, II и III двигателей позволяет регулировать частоту вращения вентиляторов в зависимости от внешних факторов. Для вентиляторов I и II ¾ это температура окружающей среды, а также величина тока тяговых двигателей локомотива. Для третьего вентилятора это температура трансформаторного масла. Четвертый электродвигатель работает с постоянной скоростью в периодическом режиме. Его запуск осуществляется по сигналу от датчика давления в напорной магистрали.
Кроме того, система обеспечивает плавный запуск всех двигателей, ограничивая пусковые токи. По умолчанию величина тока запуска 100 А, но его можно менять в блоке задания параметров. Время разгона электродвигателей не должно превышать 10 сек., в противном случае срабатывает защита на отключение питания. Максимальное напряжение питания двигателей не должно превышать 440 В.
Защитные функции системы:
1) ограничение тока запуска;
2) ограничение питающего напряжения;
3) защита от перегрева электродвигателя (более 90о С);
4) контроль питающего напряжения (запуск запрещен, если питающее напряжение больше 660 В и меньше 400 В);
5) запрет запуска, если отсутствует одно из напряжений блока питания, влияющее на работу системы управления электродвигателем.
В системе заложены следующие функции для защиты компрессора:
· пределы давления масла в компрессоре ¾ 0,8…6 атм;
· температура компрессора ¾ не более 95 о С;
· максимальное давление воздуха по первой ступени ¾ 4 атм;
· максимальное давление воздуха по второй ступени ¾ 9,5 атм;
· ограничение максимальных оборотов двигателя на уровне 3,500 об/мин.
В системе управления предусмотрен аварийный режим работы. При этом с обмотки трансформатора берется питание 440 В и после выпрямления подается на вспомогательную машину в обход всех цепей управления. Таким образом, вспомогательный двигатель вращается с постоянными максимальными оборотами. Переход в аварийный режим осуществляется машинистом электровоза путем механического переключения контактора питания вспомогательного двигателя в случае отказа системы автоматического управления.
Все электродвигатели вентиляторов и компрессора защищаются от перегрева. Нормальная температура двигателей 90оС. При перегреве двигателя он отключается. Предусмотрен блок индикации, в котором отражается режим работы двигателя, а также код ошибки при ее возникновении.
Функциональная схема системы управления
С целью унификации системы управления всеми двигателями выполнены по единой схеме и отличаются только набором входных сигналов. Функциональная схема устройства приведена на рис.1.
Рис. 1
Силовая часть системы включает в себя объект управления – электродвигатель Д, тиристорный регулятор (элементы VS, L, C, R), контактор S1.1,2 через который подается напряжение питания (выпрямленное напряжение 600 или 440 В). Регулирование напряжения, подаваемого на двигатель, и, следовательно, частоты его вращения, осуществляется изменением угла отпирания тиристора VS.
Управляющая часть схемы (управляющий контроллер УК) выполнена на базе микроконтроллера PIC 16C71 (PIC-контроллера) фирмы Microchip, содержащий в себе восьмиразрядный аналого-цифровой преобразователь (АЦП). УК кроме PIC- контроллера включает в себя датчики контролируемых величин (для каждого привода свой набор), коммутатор аналоговых сигналов, поступающих в PIC-контроллер с датчиков через блок согласования, блок задания регулируемых параметров (задатчик), клавиатуру, блок сигнализации, выходной усилитель МИТ, блок питания. На рис. 2 более подробно показана схема подключения PIC-контроллера.
Рис. 2
В каждой плате управления используется по два восьмиканальных коммутатора аналоговых сигналов, выполненных на микросхемах (МС) КР 590КН6. Всего на один микроконтроллер можно подать 16 сигналов. В данной схеме максимальное число сигналов, подаваемых на контроллер равно восьми. Избыточное количество каналов позволяет развивать систему, увеличивая число подключаемых датчиков.
Для синхронизации с напряжением питания двигателя (привязки отсчета импульсов, определяющих угол отпирания тиристора VS) используется схема формирования синхроимпульсов SNCL частотой 100 Гц, выполненная на компараторе типа К521СА3А. Эта схема конструктивно расположена в блоке питания.
Блок согласования (сопряжения) служит для согласования сигналов датчиков со входами коммутатора и PIC-контроллера. Максимальный уровень сигнала на выходе блока согласования не должен превышать 5 В. Подача дискретных сигналов управления осуществляется через оптроны.
На блок индикации выводятся сигналы о состоянии и работе вспомогательных двигателей. В нем используются три семисегментных индикатора типа АЛС333Б. Этот блок предназначен для быстрого нахождения неисправностей по сообщаемым контроллером кодам неисправностей.
Ниже приведен список кодов, выдаваемых блоком индикации:
1) 000 – нормальный режим работы двигателя;
2) 001 – перегрев двигателя;
3) 010 – повышенный ток потребления (в пределах 100 А);
4) 011 – неисправность блока питания;
5) 100 – занижено или завышено питающее напряжение (силовое 600 В);
6) 110 – отсутствует тактовый сигнал или синхросигнал;
7) 111 – повышенный ток потребления вспомогательной машиной.
Сигналы 111, 110, 100 являются критическими для работы системы, что вызывает отключение главного выключателя (ГВ).
В системе используются четыре УК, управляющие четырьмя электроприводами. Все УК работают по одной программе, в которой, в зависимости от типа электропривода, задействуются нужные модули. Задание режима работы УК и типа двигателя выполняется посредством подачи двухбитового кода на вход контроллера с клавиатуры.
Конструктивно схемы управления выполнены в виде четырех отдельных печатных плат. Первая и вторая плата служат для управления вентиляторами охлаждения: первой выпрямительной установки, первого и второго тяговых двигателей; второй выпрямительной установки, третьего и четвертого тяговых двигателей. Эти платы работают параллельно от одних управляющих сигналов. Функциональная схема системы управления двигателями первого и второго вентилятора соответствует рис. 1.
Третья плата предназначена для управления вентилятором охлаждения тягового трансформатора. Она аналогична первой плате с той разницей, что вместо сигнала температуры окружающей среды на нее подается сигнал с датчика температуры тягового трансформатора, и отсутствует сигнал с датчика тягового тока.
Четвертая плата служит для управления компрессором. Ее схема аналогична предыдущим. Только вместо сигнала температуры окружающей среды подается сигнал с датчика температуры компрессора, и так же отсутствует сигнал с датчика тягового тока.
Ниже более подробно рассмотрено функционирование каждой платы.
Особенности управления приводами I и II вентиляторов
Управление I и II вентиляторами осуществляется первым и вторым УК. Код задания режима работы ¾ 00. Управление пуском осуществляется следующим образом. В момент подачи команды на пуск двигателя происходит замер тока потребления, и угол отпирания тиристора VS изменяется до тех пор, пока ток не станет равным 100 А. Одновременно отслеживается напряжение питания, которое не должно превышать 440 В. При падении тока менее 90 А система изменяет угол отпирания VS, поднимая напряжение до тех пор, пока машина не выйдет на рабочий режим, с током потребления не более 75 А. Если процесс разгона не уложился в 10 секунд, то отключается ГВ и на блок индикации выдается сообщение об ошибке (111 – повышенный ток потребления вспомогательным двигателем).
Обороты двигателя охлаждения изменяются в зависимости от температуры окружающей среды и тока потребления тяговыми двигателями.
Графики зависимости напряжения на вспомогательном двигателе от тока тяговых двигателей для разных температур представлены на рис. 3.
Рис. 3
Сигналы на УК поступают от датчиков температуры и датчиков тока. Для сигналов датчиков тока тяговых двигателей блок согласования настраивается так, чтобы при токе тяговых двигателей 500 А на выходе блока согласования было напряжение 5 В. Настройка осуществляется подстроечным резистором в блоке задания параметров.
Для датчика температуры окружающей среды блок сопряжения настраивается на диапазон температур ± 40о С так, чтобы на коммутаторе были потенциалы ±5 В.
Ток потребления вспомогательного двигаА – номинальный ток, 100 А – ток разгона двигателя. Это соответствует 1,5 В и 4 В на выходе блока сопряжения соответственно.
Ручной запуск машины осуществляется с пульта машиниста подачей двухбитового кода в микроконтроллер:
00 – двигатель запустится от команды с датчиков;
01 – на двигатель подать 220 В;
10 – на двигатель подать 440 В;
11 – отключение I и II вентиляторов.
Ручной запуск предназначен для проверки работы вентиляторов.
Перечень сигналов датчиков для первого и второго УК приведен в табл. 1.
Таблица 1
№ п/п | Наименование сигналов | Коммутатор | Биты для выборки |
1 | Сигнал с датчика напряжения PUR E8 | MUX1 | 00 |
2 | Ток потребления вспомогательным двигателем | MUX1 | 01 |
3 | Температура вспомогательного двигателя | MUX1 | 10 |
4 | Температура окружающего воздуха | MUX1 | 11 |
5 | Ток отсечки из блока задания параметров | MUX2 | 00 |
6 | Температура двигателя из блока задания параметров | MUX2 | 01 |
7 | Ток потребления тяговыми двигателями | MUX2 | 10 |
Особенности управления приводом III вентилятора
Третий двигатель предназначен для охлаждения радиатора трансформаторного масла. Код задания режима работы – 01. В зависимости от температуры трансформаторного масла система управления устанавливает оптимальное число оборотов двигателя-вентилятора. Зависимость напряжения вспомогательного двигателя от температуры трансформаторного масла показана на рис. 4.
Рис. 4
Датчик температуры трансформаторного масла такого же типа, как и датчик температуры окружающего воздуха для первого и второго вспомогательного двигателя, подстроенный так, чтобы он работал в диапазоне температур 0…100о С.
Для измерения температуры вспомогательных двигателей используется датчик, однотипный датчику температуры трансформаторного масла.
Для проверки работы вентилятора предусмотрен ручной запуск, который осуществляется подачей двухбитового кода на УК III с пульта машиниста:
00 – двигатель запустится от команды с датчиков;
01 – на двигатель подать 220 В;
10 – на двигатель подать 440 В;
11 – отключение III вентилятора.
Перечень сигналов с датчиков для третьего УК приведен в табл. 2.
Таблица 2
№ п/п | Наименование сигналов | Коммутатор | Биты для выборки |
1 | Сигнал с датчика напряжения PUR E8 | MUX1 | 00 |
2 | Ток потребления вспомогательным двигателем | MUX1 | 01 |
3 | Температура вспомогательного двигателя | MUX1 | 10 |
4 | Температура трансформаторного масла | MUX1 | 11 |
5 | Ток отсечки из блока задания параметров | MUX2 | 00 |
6 | Температура двигателя из блока задания параметров | MUX2 | 01 |
Особенности управления приводом компрессора
Четвертый двигатель предназначен для обеспечения сжатым воздухом всей пневмосистемы локомотива. Код задания режима работы ¾ 10. Запуск компрессора может осуществиться двумя способами: в автоматическом режиме от сигнала с датчика давления и в ручном режиме с пульта машиниста. При автоматическом режиме запуск двигателя компрессора происходит по сигналу от датчика давления. При ручном запуске компрессор будет работать постоянно. При определенном давлении срабатывает предохранительный клапан, но компрессор продолжает работать. Двигатель работает с постоянными оборотами при максимальном напряжении питания 440 В. Система управления компрессором обеспечивает плавный запуск с ограничением пускового тока на уровне 100 А. При этом запуск двигателя должен осуществиться меньше чем за 10 секунд. В противном случае срабатывает защита и вырабатывается сигнал на отключение ГВ, выводя на экран блока индикации код ошибки «111» – что соответствует недопустимо большому току потребления вспомогательным двигателем.
Система контролирует температуру двигателя компрессора. Предельная температура устанавливается в блоке задания параметров. По умолчанию она равна 95оС. Термодатчики аналогичны датчикам, используемым в схемах для I, II и III вентиляторов. В схеме управления компрессора предусмотрена возможность подключения дополнительных датчиков, установка которых предполагается на электровозе.
Перечень сигналов с датчиков для четвертого управляющего контроллера приведен в табл. 3.
Таблица 3
№ п/п | Наименование сигналов | Коммутатор | Биты для выборки |
1 | Сигнал с датчика напряжения PUR E8 | MUX1 | 00 |
2 | Ток потребления вспомогательным двигателем | MUX1 | 01 |
3 | Температура вспомогательного двигателя | MUX1 | 10 |
4 | Температура компрессора* | MUX1 | 11 |
5 | Ток отсечки из блока задания параметров | MUX2 | 00 |
6 | Температура двигателя из блока задания параметров | MUX2 | 01 |
7 | Давление масла в компрессоре* | MUX2 | 10 |
8 | Ограничение максимальных оборотов двигателя* | MUX2 | 11 |
* – резервные защитные функции для компрессора, заложенные в программу. |
Коды команд для ручного запуска с пульта машиниста:
00 – двигатель не запускается;
01 – запуск двигателя от датчика давления (автоматический режим);
11 – двигатель работает постоянно (ручной режим).
Пример алгоритма управления вспомогательными двигателями
В качестве примера рассмотрим алгоритм работы системы управления при запуске первого и второго вентиляторов как наиболее сложных в управлении.
1. Начало.
2. Проверка сигналов на входах RA4, RB2. Это два бита от блока клавиатуры, указывающие микроконтроллеру, каким вспомогательным электродвигателем он управляет. Для управления первым и вторым вентилятором соответственно на этих входах должен быть код 00.
3. В цикле («пока» нет сигнала) осуществляется опрос сигналов с коммутатора на предмет запуска вентилятора либо от датчиков тока ТЭД (тяговый электродвигатель), либо от пульта машиниста, здесь же выполняется вызов процедуры «контроль».
4. Описание процедуры «контроль».
4.1. Выполняется проверка наличия напряжений в блоке питания: ±15 В (питание датчиков температуры двигателя и температуры окружающей среды), +24 В для питания выходного усилителя с импульсным трансформатором (МИТ). При отсутствии напряжений выдается сигнал аварии в кабину машиниста, а в блок индикации код ошибки 011 – «неисправность блоков питания», и контроллер переходит в режим ожидания исправности блока питания (т. е. возвращается к п. 3.1).
4.2. Проверка температуры двигателя вентилятора. Если она выше нормы, то в блок индикации выдается сообщение 001 – «перегрев двигателя». Если значение температуры выше предельной нормы, то контроллер переходит в режим ожидания (циклический опрос датчика температуры, пока она не станет нормальной (возврат к п. 3.2)) и выдает сообщение 001 в блок индикации.
4.3. Проверка питающего напряжения двигателя вентилятора (600 В). Если оно выше или ниже нормы, то в блок индикации выдается сообщение 100 – «занижено или завышено питающее напряжение (силовое 600 В)». Если напряжение выше или ниже предельной нормы, то контроллер переходит в режим ожидания (циклический опрос датчика, пока напряжение не станет нормальным (возврат к п. 3.3)) и выдает сообщение 100 в блок индикации.
4.4. Проверка наличия сигналов с тактового генератора контроллера и синхросигнала SNCL 100 Гц «точки перехода через «ноль» синусоиды». Если они отсутствуют, вырабатывается сигнал в блок индикации, код ошибки 110 – «отсутствует тактовый сигнал или синхросигнал» и выполняется переход в режим ожидания сигнала (возврат к п. 3.4), при появлении сигналов происходит выход из режима ожидания.
5. При возрастании тягового тока вызывается процедура «расчет напряжения», в которой выполняется расчет требуемого значения напряжения (согласно диаграмме рис. 2). Если расчетное напряжение больше или равно 60 В, то вызывается процедура «запуск двигателя» с переданным параметром – собственно само расчетное напряжение. Если поступил сигнал «ручного запуска» с пульта машиниста, то процедуре «запуск двигателя» передается соответственно расчетное напряжение: 01 – на двигатель подать 220 В; 10 – на двигатель подать 440 В, где 01 и 10 – сигналы на входы микроконтроллера RB6, RB7 из пульта машиниста через оптопару (рис.1).
5.1. Описание процедуры «расчет напряжения».
5.1.1.Опрос коммутатора и получение сигналов потребления тока ТЭД и сигнала с датчика температуры окружающей среды.
5.1.2.Согласно диаграмме рис. 3 рассчитывается требуемое напряжение. В этой процедуре учитывается, что при более высокой температуре окружающей среды запуск осуществляется при меньшем токе потребления ТЭД. Для крайних точек: при Токр. ср = – 40оС (+5 В на коммутаторе) вентилятор запускается при токе потребления ТЭД равном 370 А (2,3 В на коммутаторе); при Токр. ср = 0оС (0 В на коммутаторе) вентилятор запускается при токе потребления ТЭД, равном 340 А (2,0 В на коммутаторе); при Токр. ср = +40оС (– 5 В на коммутаторе) вентилятор запускается при токе потребления ТЭД, равном 300 А (1,8 В на коммутаторе);
5.2. Описание процедуры «запуск двигателя».
5.2.1.Вызов процедуры «контроль».
5.2.2.Запуск таймера на 10 секунд (время на разгон).
5.2.3.Присваивание счетчику импульсов значения 141.
5.2.4.Цикл, пока не будет достигнуто требуемое (расчетное) напряжение (проход цикла от наибольшего числа к наименьшему). В цикле выполняется опрос коммутатора (ожидание) сигнала начала отсчета – вход RB0 (сигнал перехода синусоиды через ноль). Отсчет сигналов с тактового генератора. При достижении на счетчике импульсов заданного числа (начальное значение 141, соответствующее минимальному напряжению 60 В, подаваемому на двигатель вентилятора), выполняется запуск процедуры «сигнал на тиристор». Эта процедура вырабатывает импульс длительностью 0,5 мкс, появляющийся на выходе RB1. Опрос коммутатора на сигнал датчика тока двигателя вентилятора. Если он больше номинального (70 А – соответственно 1,5 В на коммутаторе), но меньше максимального пускового (100 А – соответственно 4 В на коммутаторе), то вырабатывается сигнал в блок индикации 010 – «повышенный ток потребления (в пределах 100 А)»; если сигнал с датчика тока больше 4,5 В (ток потребления больше 150 А), то вырабатывается сигнал в блок индикации 111 – «повышенный ток потребления вспомогательной машиной» и вырабатывается сигнал на отключение главного выключателя. Если ток потребления вспомогательной машиной упал до величины 90 А, то уменьшаем содержимое счетчика импульсов на 2 единицы (это соответствует увеличению напряжения двигателя на 7…8 В). Вызов процедуры «контроль». Если пришло прерывание от таймера, двигатель не вышел на режим за 10 секунд (не разогнался), то вырабатывается сигнал на отключение главного выключателя, а в блок индикации подается код ошибки 111 – «повышенный ток потребления вспомогательной машиной». Переход к п. 2. Возврат к началу цикла запуска (п. 3.2.4).
6. Дальше идет блок «поддержки оборотов электродвигателя».
6.1. Вызов процедуры «контроль». В цикле опрос коммутатора (ожидание) сигнала начала отсчета.
6.2. При отсчете нужного числа импульсов (это число, соответствующее требуемому напряжению, рассчитанному в процедуре «расчет напряжения») вызов процедуры «сигнал на тиристор». Здесь же выполняется опрос датчика потребления тока двигателем вентилятора. Если ток потребления больше 90 А (номинальный плюс запас), то вызов процедуры «запуск двигателя» с параметром «расчетное напряжение минус 10 В» (плюс 2 единицы к значению счетчика, соответствующему расчетному напряжению) – попытка снизить ток. Если ток потребления больше 100 А, то вырабатывается сигнал в блок индикации 111 – «повышенный ток потребления вспомогательной машиной» и вырабатывается сигнал на отключение главного выключателя.
6.3. В блок индикации передается код 000 – «нормальный режим работы электродвигателя». Вызов процедуры «расчет напряжения». Если расчетное напряжение отличается на 10 В в большую или меньшую сторону и при этом не меньше 60 В, то переменной «расчетное напряжение» присваиваем новое значение. Если расчетное напряжение превысило 100 В, то присвоить логической переменной значение «истина». Если расчетное напряжение ниже 100 В и при этом значение логической переменной «истина», то расчетное напряжение равно 100 В (режим доохлаждения). Вызывается процедура «запуск двигателя» с параметром – новое расчетное напряжение.
6.4. Опрос входов RB6, RB7 на наличие сигналов ручного запуска вентиляторов. Если поступил сигнал «ручного запуска» с пульта машиниста, то процедуре «запуск двигателя» передается соответственно расчетное напряжение: 01 – на двигатель подать 220 В; 10 – на двигатель подать 440 В;
6.5. Если на входах RB6, RB7 сигнал 11 и при этом ток тяги равен нулю, то происходит отключение вентилятора, логической переменной присваивается значение «ложь» и выполняется переход к п. 2 алгоритма.
6.6. При невыполнении условий п.5.4 и п.5.5 переход к п. 5.1.
7. Конец алгоритма, возврат в начало.
