Микропроцессорный блок управления выпрямительно-инверторным преобразователем бувип(м)

Предложение относится к железнодорожной технике и предназначено для автоматизированного формирования, ограничения фазы и распределения управляющих импульсов по плечам выпрямительно-инверторного преобразователя (ВИП) электровоза. Сущность изобретения состоит в том, что используется микропроцессорный контроллер, имеющий узлы “захват/сравнение” и в “быструю” реакцию на прерывания (реакция на запрос прерывания 50-100 нс), который при обработке сигналов слежения за потенциальными условиями на тиристорах преобразователя позволяет применить алгоритмы цифровой фильтрации и защиты от сбоев. Техническим результатом является программно-аппаратное формирование и распределение по плечам управляющих выпрямительно-инверторными преобразователями импульсов с учетом задания, полученного от контроллера машиниста и потенциальных условий на тиристорах (величины напряжения на секциях вторичной обмотки тягового трансформатора) с применением алгоритмов цифровой фильтрации и защиты от сбоев, исключение колебаний и существенных толчков токов тяговых двигателей при искажениях формы напряжения в контактной сети, а также при переходах с одной зоны регулирования на другую, в том числе при разном уровне напряжения на секциях вторичной обмотки тягового трансформатора. 1 ил.

 

Изобретение относится к железнодорожной технике и предназначено для управления тяговым тиристорным приводом электровозов с коллекторными тяговыми двигателями в режимах тяги и электрического (рекуперативного) торможения. Особенно рекомендуется для установки на электровозах ВЛ80Р, оборудованных выпрямительно-инверторными преобразователями (ВИПами) в ходе капитально-восстановительного ремонта, при эксплуатации электровозов в условиях сильных искажений формы напряжения контактной сети, например при аварийном энергоснабжении участков железных дорог, и наличии мощных потребителей (алюминиевых или других электрометаллургических комбинатов), питающихся от той же системы энергоснабжения.

Известны и применяются блоки управления выпрямительно-инверторным преобразователем БУВИП(113) [1 - с.86-112]. Такое устройство обеспечивает управление ВИПами электровозов в тяге и рекуперативном торможении.

Недостаток этого устройства связан с низкой надежностью из-за морально и физически устаревшей элементной базы, большого числа дискретных элементов и межблочных соединителей, необходимостью постоянной подстройки элементов схемы в эксплуатации.

Указанные недостатки частично устранены в устройстве на интегральных микросхемах малой и средней степени интеграции - БУВИП(133) [2 - с.103-122].

Недостаток данного устройства состоит в примененной аналоговой элементной базе и интегральных микросхемах малой и средней степени интеграции, изменяющей свои характеристики при длительных сроках эксплуатации (на электровозе электронные блоки служат 12 лет) и не позволяющей реализовать эффективные алгоритмы управления.

Указанные недостатки устранены в устройстве, которое использует микропроцессор и цифровые интегральные микросхемы [3 - с.17-19]. В этом устройстве доля обработки сигналов аналоговых датчиков сведена к минимуму.

Такое устройство является наиболее близким по технической сущности к заявляемому объекту. Оно и принято за прототип.

Недостатком прототипа является реализация контроля за потенциальными условиями открывания тиристоров ВИП и за временем коммутации тиристоров аппаратным способом, что не позволяет реализовать эффективные алгоритмы защиты от искажений входного сигнала и сбоев. Причем попытка реализовать данный контроль программным способом не дала положительных результатов [4 - с.90-96]. В связи с этим в условиях вынужденного энергоснабжения и при существенном искажении формы напряжения в контактной сети возможны сбои в системе слежения за потенциальными условиями, сопровождающиеся колебаниями и бросками тока.

Данный недостаток устраняется в предлагаемом устройстве благодаря тому, что используется микропроцессорный контроллер, имеющий узлы "захват/сравнение" и в "быструю" реакцию на прерывания (реакция на запрос прерывания 50-100 нc), который при обработке сигналов слежения за потенциальными условиями позволяет применить алгоритмы цифровой фильтрации и защиты от сбоев.

Техническим результатом является исключение колебаний и существенных толчков токов тяговых двигателей за счет программно-аппаратного формирования и распределения по плечам управляющих выпрямительно-инверторными преобразователями импульсов с учетом задания, полученного от контроллера машиниста и потенциальных условий на тиристорах (величины напряжения на секциях вторичной обмотки тягового трансформатора) с применением алгоритмов цифровой фильтрации и защиты от сбоев.

Технический результат достигается в предложенном устройстве за счет того, что процессор микроконтроллера, используя “аппаратную” информацию о моментах начала и окончания интервалов с "разрешенной" коммутацией (от сигнала слежения за потенциальными условиями открытия тиристоров) как обратную связь, при формировании и распределении импульсов управления осуществляет это с применением алгоритмов цифровой фильтрации и защиты от сбоев.

Существенные признаки предложения: наличие микропроцессорного микроконтроллера, оснащенного узлами "захват/сравнение" и реализующего "быструю" реакцию на прерывания от сигнала слежения за потенциальными условиями открытия тиристоров, программное формирование и распределение управляющих импульсов с применением алгоритмов цифровой фильтрации и защиты от сбоев.

Сущность предложения показана на конкретном примере его применения на чертеже, где показана схема формирования алгоритма и сигналов управления ВИПами в режиме тяги (в режиме рекуперативного торможения добавляется только канал управления возбуждением тяговых двигателей).

Предложенное устройство (см. чертеж) содержит выпрямитель 1 сигнала датчика слежения за потенциальными условиями 10, подключенного к вторичной обмотке тягового трансформатора 8, питающего выпрямительно-инверторный преобразователь 11 от контактной сети через токоприемник 7. К выходу выпрямителя 1 подключен компаратор 2, уровень срабатывания 3 которого подобран и задается таким образом, чтобы обеспечить гарантированное отпирание тиристоров выпрямительно-инверторного преобразователя 11 не только при номинальном напряжении контактной сети 25 кВ, но и при пониженном - 19 кВ. Выход компаратора 2 соединен со входом "захват/сравнение" микроконтроллера 6. Вход прерываний микроконтроллера 6 подсоединен через устройство синхронизации 4 к датчику синхронизации 9, подключенному к вторичной обмотке тягового трансформатора 8. К входам аналого-цифрового преобразователя (АЦП) микроконтроллера 6 подключено задающее устройство 5, расположенное на пульте машиниста электровоза. Выходные сигналы микроконтроллера 6 через дополнительные устройства "захват/сравнение" соединены с управляющими входами ВИПа 11.

Устройство работает следующим образом. При задании машинистом с помощью задатчика 5 какого-либо, отличного от нуля напряжения на тяговых двигателях, микроконтроллер 6, синхронизированный с фазой напряжения контактной сети по сигналам от устройства синхронизации 4 начинает формировать, ограничивать фазу и распределять по плечам выпрямительно-инверторного преобразователя управляющие импульсы. При этом для одних плеч тиристорного преобразователя формируются импульсы, фаза которых пропорциональна заданному напряжению. Для других плеч формируются импульсы с “минимальной” фазой, но при этом отслеживается наличие достаточных потенциальных условий для открытия тиристоров по сигналу с компаратора 2.

Сигнал, пришедший от датчиков слежения за потенциальными условиями поступает на компаратор 2, на втором входе которого устанавливается пороговый уровень гарантированного открывания тиристоров. На выходе компаратора выделяется сигнал, представляющий собой чередование логических нулей и единиц. Причем уровни "логических нулей" соответствуют состояниям на входах ВИП, при которых не гарантируется надежное открывание тиристоров. Это состояние имеет место в начале (примерно до 9 электрических градусов) и в конце каждого полупериода синусоидального напряжения, а также при искажениях формы напряжения и при коммутации тиристоров (переключении тока с одних плеч тиристорного преобразователя на другие с “закорачиванием” на это время тяговой обмотки). Полученная на выходе компаратора последовательность поступает на вход узла "захват/сравнение" микроконтроллера.

Таймеры, управляющие данным узлом, обнуляются при каждом переходе напряжения, питающего выпрямительно-инверторные преобразователи через "ноль" по сигналу от устройства фазовой синхронизации 4, а затем начинают отсчет временных интервалов. По фронтам сигнала с компаратора 2 формируются “быстрые” прерывания, по которым процессор считывает из таймеров узла "захват/сравнение" значения кодов временных интервалов.

В результате, на выходе узла "захват/сравнение" формируется и поступает в процессор последовательность двоичных кодов, соответствующая углам гарантирования открытия тиристоров, кодам начала и окончания коммутаций в плечах выпрямительно-инверторными преобразователями.

Используя полученные по прерываниям, сформированным узлом "захват/сравнение", коды, процессор микроконтроллера по заданному алгоритму осуществляет формирование, ограничение фазы и распределение управляющих импульсов.

Вычисленные коды углов управления загружаются микроконтроллером 6 в таймеры выходных каналов “захват/сравнение”, и в тех каналах, где это значение отлично от нуля, происходит формирование управляющих импульсов с заданной фазой. Причем в каналах формирования “минимальных” углов управления программно рассчитывается фаза импульсов, а также время коммутации с применением алгоритмов цифровой фильтрации и защиты от сбоев по сигналам прерываний и кодам, сформированным входным узлом "захват/сравнение". Если искажения напряжения в контактной сети незначительны и сигналы на выходе компаратора 2 стабильны, то коды фазы импульсов, полученные микроконтроллером 6 от входного узла "захват/сравнение" и загружаемые в выходные каналы "захват/сравнение", совпадают. При значительных искажениях формы напряжения в контактной сети и появлении нестабильности фронтов сигналов компаратора 2 за счет алгоритма цифровой фильтрации происходит “усреднение” “минимальной” фазы импульсов управления, и накладываются логические ограничения для защиты от сбоев при формировании импульсов. Аналогичным образом происходит и вычисление фазы окончания коммутации тиристоров и формирование соответствующих этим моментам импульсов управления.

Таким образом, обеспечивается автоматическое формирование и распределение импульсов с нужной фазой по плечам выпрямительно-инверторного преобразователя в зависимости от задания с пульта машиниста и потенциальных условий отпирания тиристоров. За счет использования алгоритмов цифровой фильтрации и защиты от сбоев в канале слежения за потенциальными условиями и обеспечивается высокая защищенность от искажений формы напряжения в контактной сети, точность слежения за коммутацией тиристоров, исключаются колебания и броски токов тяговых двигателей. Кроме того, применение программного распределения импульсов при одновременном контроле за потенциальными условиями позволяет оперативно программным путем корректировать минимальный и максимально допустимый угол отпирания тиристоров при переходах от одной зоны регулирования к другой, что позволяет обеспечивать плавное регулирование без колебаний и броски токов тяговых двигателей даже при разном уровне напряжения на секциях вторичной обмотки тягового трансформатора.

При составлении описания приняты во внимание следующие источники научно-технической информации.

1. Электровоз ВЛ80Р. Руководство по эксплуатации/ Под ред. В.А. Тушканова. - М.: Транспорт, 1985, 541 с.

2. Электровоз ВЛ85. Руководство по эксплуатации/ Б.А. Тушканов, Н.Г. Пушкарев, Л.А. Позднятова и др. - М.: Транспорт, 1992, 480 с.; ил., табл. (с.123-159).

3. Кирилов B.C., Плис В.И. Магистральный электровоз ЭП1. Микропроцессорная система управления и диагностики// Локомотив, № 8, 1999, с.17-19.

4. Принципы построения систем слежения импульсов управления ВИП за углами коммутации силовых тиристоров в электровозах, оборудованных МПСУ/ В.М. Волков, В.А. Луговец, В.И. Плис, Б.А. Бондаренко// Электрвоозостроение: Сб. научн. тр./ОАО "Всерос. н.-и. и проектно-конструкт. ин-т электровозостроения" (ОАО "ВЭлНИИ"), 1999, т.41, с.90-96.

Устройство микропроцессорного управления выпрямительно-инверторным преобразователем электровоза содержит выпрямитель сигнала датчика слежения за потенциальными условиями, подключенного к вторичной обмотке тягового трансформатора, питающего выпрямительно-инверторный преобразователь (ВИП) от контактной сети через токоприемник, к выходу выпрямителя подключен компаратор, выход компаратора соединен с входом “захват/сравнение” микроконтроллера, вход прерываний микроконтроллера подсоединен через устройство синхронизации к датчикам синхронизации, подключенным к вторичной обмотке тягового трансформатора, к входам аналого-цифрового преобразователя (АЦП) микроконтроллера подключено задающее устройство, расположенное на пульте машиниста электровоза, выходные сигналы микроконтроллера через дополнительные устройства “захват/сравнение” соединены с управляющими входами ВИПа, отличающееся тем, что на выходе узла “захват/сравнение” формируется и поступает в процессор последовательность двоичных кодов, соответствующая углам гарантирования открытия тиристоров, кодам начала и окончания коммутаций в плечах выпрямительно-инверторными преобразователями, используя полученные по прерываниям, сформированным узлом “захват/сравнение” коды, процессор микроконтроллера по заданному алгоритму осуществляет формирование, ограничение фазы и распределение управляющих импульсов, вычисленные коды углов управления загружаются микроконтроллером в таймеры выходных каналов “захват/сравнение”, и в тех каналах, где это значение отлично от нуля, происходит формирование управляющих импульсов с заданной фазой.