Микропроцессорный блок автоматического управления выпрямительно-инвертоным преобразователем электровоза баувип
Полезная модель относится к железнодорожной технике и предназначена для автоматического управления выпрямительно-инверторным преобразователем (ВИЛ) и тяговым электроприводом электровоза. Техническим результатом является программно-аппаратное формирование и распределением по плечам управляющих выпрямительно-инверторными преобразователями импульсов с учетом задания, полученного от контроллера машиниста, потенциальных условий на тиристорах и сигналов обратных связей по току и скорости, с применением алгоритмов цифровой фильтрации и защиты от сбоев, адаптации к режиму работы, 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. Сущность полезной модели состоит в том, что в цепях измерения сигналов обратных связей по токам и скорости используется аналогово-цифровой преобразователь с микропроцессорным контроллером, который при обработке сигналов позволяет применить адаптивные алгоритмы цифровой фильтрации в зависимости от режима работы (тяга/торможение), номера зоны и скорости движения. Применение автоматического регулирования с поддержанием заданных значений тягового (тормозного) усилия и скорости движения поезда с использованием адаптивных алгоритмов фильтрации сигналов обратных связей по токам и скорости тяговых двигателей позволяет существенно повысить качество регулирования, ликвидировать возникновение автоколебаний во всех требуемых режимах работы электровоза.
Полезная модель относится к железнодорожной технике и предназначена для автоматического управления тяговым тиристорным приводом электровозов с коллекторными тяговыми двигателями в режимах тяги и электрического (рекуперативного) торможения. Особенно рекомендуется для установки на электровозах ВЛ85 и ВЛ65, оборудованных выпрямительно-инверторными преобразователями (ВИПами) в ходе капитально-восстановительного ремонта, при эксплуатации электровозов в любых условиях энергоснабжения, в том числе в аварийных.
Известны и применяются блоки управления выпрямительно-инверторным преобразователем БУВИП113 [1 - с.86-112]. Такое устройство обеспечивает управление ВИПами электровозов в тяге и рекуперативном торможении в ручном режиме под контролем машиниста.
Недостаток этого устройства связан с необходимостью постоянного отвлечения внимания машиниста для слежения за показаниями приборов пульта, особенно в режиме рекуперативного торможения и ручного управления с целью поддержания требуемых параметров движения.
Указанные недостатки частично устранены на электровозах, оборудованных устройствами БУВИП133 и БАУ002 [2 - с.103-122] где применены интегральные микросхемы и автоматическое регулирование.
Недостаток данного устройства состоит в примененной аналоговой элементной базы и интегральных микросхемах малой и средней степени интеграции, изменяющей свои характеристики при длительных сроках эксплуатации (на электровозе электронные блоки служат 12 лет), в связи с чем требующих постоянной подстройки, и не позволяющей реализовать эффективные алгоритмы управления.
Указанные недостатки частично устранены в устройстве, которое использует микропроцессорный контроллер, имеющий узлы "захват/сравнение" и в "быструю" реакцию на прерывания и позволяющий при обработке сигналов применять алгоритмы цифровой обработки, в том числе фильтрации и защиты от сбоев в каналах формирования импульсов управления [3].
Такое устройство является наиболее близким по технической сущности к заявляемому объекту. Оно и принято за прототип.
Недостатком прототипа является отсутствие автоматического управления электровозом в режимах тяги и рекуперативного торможения, что негативно влияет на качество регулирования и безопасность движения.
Техническим результатом предлагаемой полезной модели является автоматическое поддержание заданных машинистом скорости движения поезда не зависимо от профиля пути и силы тяги (торможения) электровоза, а также ускорения (замедления) за счет программно-аппаратного формирования и распределения по плечам управляющих тиристорами выпрямительно-инверторных преобразователей импульсов с учетом задания, полученного от контроллера машиниста, потенциальных условий на тиристорах (величины напряжения на секциях вторичной обмотки тягового трансформатора) с применением алгоритмов цифровой фильтрации и защиты от сбоев, как в каналах формирования импульсов управления, так и
в каналах обработки сигналов обратных связей по току и скорости, а также адаптивных алгоритмов формирования законов регулирования в зависимости от режима работы электровоза, зоны регулирования уровня искажений напряжения контактной сети.
Технический результат достигается в предложенном устройстве за счет того, что процессор микроконтроллера, используя «аппаратную» информацию о заданных величинах скорости, силе тяги (токе тяговых двигателей), о состоянии силовой схемы электровоза, режиме его работы и номере зоны регулирования, о моментах начала и окончания интервалов с "разрешенной" коммутацией (от сигнала слежения за потенциальными условиями открытия тиристоров), а также сигналов обратных связей по току и скорости при формировании и распределении импульсов управления осуществляет это с применением алгоритмов цифровой фильтрации и защиты от сбоев, как в каналах формирования и обработки импульсов управления, так и в каналах обработки сигналов обратных связей, а также адаптивную корректировку законов регулирования и коэффициентов при составляющих этих законов регулирования.
Существенные признаки предложения: наличие микропроцессорного микроконтроллера, оснащенного синхронным последовательным портом, узлами "захват/сравнение" и аналого-цифровыми преобразователями, реализующего "быструю" реакцию на прерывания от сигнала слежения за потенциальными условиями открытия тиристоров, дополнительного аналого-цифрового преобразователя со встроенным микропроцессорным контроллером, который соединен с основным синхронным последовательным каналом связи, программное формирование и распределение управляющих импульсов с применением алгоритмов цифровой фильтрации и защиты от сбоев, программное адаптивные алгоритмы цифровой фильтрации сигналов обратных связей по току и скорости, и программные алгоритмы адаптивных законов регулирования, учитывающих режим работы электровоза.
Сущность полезной модели состоит в том, что в цепях измерения сигналов обратных связей по токам и скорости используется аналогово-цифровой преобразователь с микропроцессорным контроллером, который при обработке сигналов позволяет применить адаптивные алгоритмы цифровой фильтрации в зависимости от режима работы (тяга/торможение), номера зоны и скорости движения. Применение автоматического регулирования с поддержанием заданных значений тягового (тормозного) усилия и скорости движения поезда с использованием адаптивных алгоритмов фильтрации сигналов обратных связей по токам и скорости тяговых двигателей позволяет существенно повысить качество регулирования, ликвидировать возникновение автоколебаний во всех требуемых режимах работы электровоза.
Сущность предложения показана на конкретном примере его применения на чертеже (фигура 1), где показана схема формирования алгоритма и сигналов управления ВИПами в режиме тяги.
Предложенное устройство (фигура 1) 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 выпрямительно-инверторного преобразователя подключен тяговый двигатель 12. 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 датчикам синхронизации 9, подключенным к вторичной обмотке тягового трансформатора 8. К входам аналого-цифрового преобразователя (АЦП) микроконтроллера 6 подключено задающее
устройство 5, расположенное на пульте машиниста электровоза. Выходы датчиков частоты вращения 14 тягового двигателя 12 подключены к другим входам АЦП микроконтроллера 6. Выходные сигналы микроконтроллера 6 через дополнительные устройства "захват/сравнение" соединены с управляющими входами ВИПа 11. Ввод информации от датчиков тока якоря и возбуждения 15, тягового двигателя 12, осуществляется через дополнительный быстродействующий микроконтроллер 13, оснащенный АЦП и последовательным синхронным портом.
Устройство работает следующим образом. При задании машинистом с помощью задатчика 5 какого-либо, отличного от нуля напряжения на тяговых двигателях 12, 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 току (силе тяги) и скорости (ускорению) электровоза. Для других плеч формируются импульсы с «минимальной» фазой, но при этом отслеживается наличие достаточных потенциальных условий для открытия тиристоров по сигналу с компаратора 2.
Структура замкнутой системы автоматического регулирования скорости и силы тяги (торможения) электровоза работает следующим образом. Сигналы о заданных величинах и режимах работы электровоза от задающего устройства 5, поступают на входы АЦП микроконтроллера 6, где преобразуются в двоичный код. На другие входы АЦП микроконтроллера 6 поступают сигналы скорости от датчиков частоты вращения осей электровоза 14. При помощи этих сигналов формируется сигнал рассогласования и на основе обсчета выражения, характеризующего закон регулирования, определяется величина задания контуру регулирования тока тяговых двигателей. На основании полученного сигнала задания тока и
истинного значения, полученного по последовательному синхронному порту от микроконтроллера 13, вычисляется код угла управления тиристорами ВИПа. Алгоритм обработки этого контура регулирования построен таким образом, что в зависимости от режима работы (тяга/торможение), номера зоны регулирования I...IV программно формируется определенный закон регулирования (П, ПИ или ПИД) и изменяются коэффициенты при пропорциональной, дифференциальной и интегральной составляющих этих законов. Кроме того, в режиме рекуперативного торможения реализован алгоритм формирования задания контуру регулирования тока возбуждения в функции скорости и угла регулирования тока якоря. Причем, алгоритм разработан таким образом, чтобы отработки возмущающих воздействий осуществлялись через контур регулирования тока якоря, и ток возбуждения поддерживался бы таким, чтобы угол регулирования ВИПом находился в середине четвертой зоны регулирования.
Алгоритм вычисления сигналов датчиков обратных связей по токам якоря и возбуждения предусматривает считывание с датчиков 15 до 100...150 значений на каждый канал несинусоидальных токов за один полупериод (10 мс) и обработку их при помощи выражений, описывающих адаптивную цифровую фильтрацию, с целью получения среднего за полупериод значения токов и исключения запаздывания и влияния искажений формы сигналов датчиков. Вычисленные в микроконтроллере 13 значения токов передаются в микроконтроллер 6 в конце каждого полупериода в цифровом виде по быстродействующему последовательному каналу обмена, например SPI со скоростью передачи до 5Мбит/с. Такая организация обработки сигналов обратных связей не требует увеличения быстродействия центрального микроконтроллера 6, увеличивает число каналов АЦП.
Вычисляемые, согласно приведенного алгоритма, коды управляющих импульсов распределяются по плечам выпрямительно-инверторного преобразователя, ограничиваются кодом гарантированного открывания
тиристоров ВИПа и записываются в устройстве «захват/сравнение», где преобразуются в импульсы, фаза которых соответствует требуемой.
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, реального состояния оборудования электровоза, сигналов датчиков скорости и тока и потенциальных условий отпирания тиристоров. За счет использования алгоритмов цифровой фильтрации и защиты от сбоев в канале слежения за потенциальными условиями обеспечивается высокая защищенность от искажений формы напряжения в контактной сети. За счет использования алгоритмов цифровой фильтрации в каналах обработки
сигналов обратных связей по скорости и токам обеспечивается высокая защищенность от искажений сигналов датчиков и устраняется запаздывание сигналов. При этом исключаются колебания и броски токов тяговых двигателей, поддерживается заданная машинистом скорость движения поезда без участия в процессе контроля машиниста, автоматика самостоятельно следит за силой тяги (торможения), формируя их в зависимости от профиля пути. 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. Патент на изобретение RU №2251785 С2 от 10.05.2005 г.
Устройство микропроцессорного управления выпрямительно-инверторным преобразователем электровоза, осуществляющее автоматическое формирование, ограничения, фазы и распределение управляющих импульсов в зависимости от режима работы, задания, полученного от контроллера машиниста, и потенциальных условий на тиристорах (величины напряжения на секциях вторичной обмотки тягового трансформатора), содержащее микропроцессорный контроллер с узлами "захват/сравнение" и аналогово-цифровым преобразователем, устройство синхронизации с фазой напряжения контактной сети, выпрямитель напряжения слежения за потенциальными условиями, компаратор с заданным уровнем отпирания тиристоров, обеспечивающий защиту от искажений формы напряжения в контактной сети путем формирования импульсов управления преобразователем в канале слежения за потенциальными условиями открытия тиристоров реализованный программно-аппаратным способом, с использованием узлов "захват/сравнение" и "быстрой" реакцией на прерывания от сигнала слежения за потенциальными условиями, с применением алгоритмов цифровой фильтрации и защиты от сбоев, отличающийся тем, что с целью повышения эксплуатационной надежности, улучшения условий работы локомотивных бригад и снижения влияния условий энергоснабжения и эксплуатации на характеристики электровоза и повышения качества регулирования вводятся обратные связи по токам тяговых двигателей и по скорости вращения колесных пар с обработкой вновь введенных сигналов при помощи адаптивных, в зависимости от режима работы и зоны регулирования, алгоритмов, причем, сигналы обратных связей по токам тяговых двигателей обрабатываются дополнительным быстродействующим микроконтроллером с применением алгоритмов цифровой фильтрации и передачей предварительно обработанных данных центральному микроконтроллеру по быстродействующему последовательному каналу связи.
