Устройство для регулирования возбуждения тягового электродвигателя постоянного тока

Изобретение относится к области железнодорожного транспорта и может быть применено на транспортных средствах с тяговыми электродвигателями постоянного тока. Устройство для регулирования возбуждения тягового электродвигателя постоянного тока содержит источник питания, последовательно соединенные якорную обмотку и обмотку возбуждения, датчики тока, резисторы и контакторы. Первый вывод первого датчика тока соединен с первым выводом второго датчика тока, выход которого соединен с первым входом компаратора. Первый вывод контактора соединен с общим выводом первого и второго резисторов. Устройство содержит также согласующие блоки, выходы первого и второго которых соединены с входами первого и второго ключевых элементов соответственно. В него дополнительно введены третий и четвертый ключевые элементы, третий и четвертый согласующие блоки, первый и второй логические элементы И-НЕ, инвертор, формирователь импульсов, триггер, генератор импульсов, счетчик импульсов, второй вывод контактора подключен к общему выводу якорной обмотки и обмотки возбуждения тягового электродвигателя постоянного тока, его контакт управления соединен с входом формирователя импульсов, первым входом первого логического элемента И-НЕ и первым входом второго логического элемента И-НЕ. Выход формирователя импульсов соединен с первым входом триггера, выход которого подключен к первому входу счетчика импульсов, выход генератора импульсов подключен к второму входу счетчика импульсов, первый, второй, третий и четвертый выходы которого соединены с входами первого, второго, третьего и четвертого согласующих блоков соответственно. Выходы третьего и четвертого согласующих блоков соединены с входами третьего и четвертого ключевых элементов соответственно. Пятый выход счетчика импульсов соединен с вторым входом первого логического элемента И-НЕ, выход которого соединен с вторым входом триггера, выход первого датчика тока соединен со вторым входом компаратора, выход которого соединен с входом инвертора и вторым входом второго логического элемента И-НЕ, выход которого соединен с третьим входом счетчика импульсов, выход инвертора соединен с третьим входом триггера. Свободный вывод якорной обмотки тягового электродвигателя постоянного тока подключен к источнику питания, свободный вывод обмотки возбуждения тягового электродвигателя постоянного тока соединен с вторым выводом первого датчика тока, к первому выводу контактора подключен общий вывод третьего и четвертого резисторов, свободные выводы первого, второго, третьего и четвертого резисторов подключены к первым выводам первого, второго, третьего и четвертого ключевых элементов соответственно, их вторые выводы объединены и подключены к второму выводу второго датчика тока, общий вывод первого и второго датчиков тока соединен с землей. Технический результат заключается в повышении надежности работы за счет улучшения условий коммутации тягового электродвигателя в переходных режимах. 1 ил.

 

Изобретение относится к области железнодорожного транспорта и может быть применено на транспортных средствах с тяговыми электродвигателями постоянного тока.

Известен тяговый электропривод постоянного тока (а.с. СССР №1632825, B 60 L 15/08, 1989). Тяговый электропривод содержит источник питания, выключатель, два тяговых электродвигателя постоянного тока, два датчика тока, четыре тиристора, два диода, возбудитель, три резистора, два контактора, коммутирующий конденсатор, коммутирующий реактор.

Недостаток устройства: не обеспечивается надежная работа в нестационарных режимах, так как информация о выключении третьего тиристора поступает только от датчика тока в шунтирующей цепи и не учитывается информация от датчика тока возбуждения, что может привести к критическому уменьшению коэффициента ослабления возбуждения, ненадежной коммутации главного тиристора и тем самым к выходу из строя двигателей.

Известен тяговый электропривод постоянного тока с тиристорным управлением (RU 2208530, B 60 L 15/08, 2001 - прототип). Тяговый электропривод содержит источник питания, выключатель, два тяговых электродвигателя постоянного тока, два датчика тока, прерыватель тока возбуждения, содержащий два ключевых элемента, четыре резистора, коммутирующий конденсатор, два контактора, два согласующих блока, компаратор, блок управления, масштабирующий усилитель, блок защиты от юза и боксования.

Недостатком устройства, принятого за прототип, является ступенчатое изменение тока в цепи шунтирования обмоток возбуждения, что ухудшает процессы коммутации тяговых электродвигателей и снижает его надежность, наличие контура коммутации в цепи ключевых элементов также снижает надежность устройства в переходных режимах.

Задача изобретения - создать устройство для регулирования возбуждения тягового электродвигателя постоянного тока с плавным изменением тока в цепи шунтирования обмотки возбуждения тягового электродвигателя, повысить надежность работы устройства за счет улучшения условий коммутации тягового электродвигателя в переходных режимах.

Технический результат достигается тем, что в устройство для регулирования возбуждения тягового электродвигателя постоянного тока, содержащее источник питания, последовательно соединенные якорную обмотку и обмотку возбуждения тягового электродвигателя постоянного тока, первый вывод первого датчика тока соединен с первым выводом второго датчика тока, выход которого соединен с первым входом компаратора, первый вывод контактора соединен с общим выводом первого и второго резисторов, выходы первого и второго согласующих блоков соединены с входами первого и второго ключевых элементов соответственно, третий и четвертый резисторы, землю, в него дополнительно введены третий и четвертый ключевые элементы, третий и четвертый согласующие блоки, первый и второй логические элементы И-НЕ, инвертор, формирователь импульсов, триггер, генератор импульсов, счетчик импульсов, второй вывод контактора подключен к общему выводу якорной обмотки и обмотки возбуждения тягового электродвигателя постоянного тока, его контакт управления соединен с входом формирователя импульсов, первым входом первого логического элемента И-НЕ и первым входом второго логического элемента И-НЕ, выход формирователя импульсов соединен с первым входом триггера, выход которого подключен к первому входу счетчика импульсов, выход генератора импульсов подключен к второму входу счетчика импульсов, первый, второй, третий и четвертый выходы которого соединены с входами первого, второго, третьего и четвертого согласующих блоков соответственно, выходы третьего и четвертого согласующих блоков соединены с входами третьего и четвертого ключевых элементов соответственно, пятый выход счетчика импульсов соединен с вторым входом первого логического элемента И-НЕ, выход которого соединен с вторым входом триггера, выход первого датчика тока соединен с вторым входом компаратора, выход которого соединен с входом инвертора и вторым входом второго логического элемента И-НЕ, выход которого соединен с третьим входом счетчика импульсов, выход инвертора соединен с третьим входом триггера, свободный вывод якорной обмотки тягового электродвигателя постоянного тока подключен к источнику питания, свободный вывод обмотки возбуждения тягового электродвигателя постоянного тока соединен с вторым выводом первого датчика тока, к первому выводу контактора подключен общий вывод третьего и четвертого резисторов, свободные выводы первого, второго, третьего и четвертого резисторов подключены к первым выводам первого, второго, третьего и четвертого ключевых элементов соответственно, их вторые выводы объединены и подключены к второму выводу второго датчика тока, общий вывод первого и второго датчиков тока соединен с землей.

На чертеже изображена принципиальная электрическая схема предлагаемого устройства.

В соответствии с чертежом устройство для регулирования возбуждения тягового электродвигателя постоянного тока, содержащее источник питания 1, последовательно соединенные якорную обмотку 2 и обмотку возбуждения 3 тягового электродвигателя постоянного тока, первый вывод первого датчика тока 4 соединен с первым выводом второго датчика тока 5, выход которого соединен с первым входом компаратора 6 (например, микросхема 554СА3, С.В.Якубовский, Л.И.Нессельсон, В.И.Кулешова, В.А.Ушибышев, М.Н.Топешкин. Цифровые и аналоговые микросхемы: Справочник. Москва, 1990 год, стр.362), первый вывод контактора 7 соединен с общим выводом первого 8 и второго 9 резисторов, выходы первого 10 и второго 11 согласующих блоков (например, драйвер IR2121, Б.Ю.Семенов. Силовая электроника для любителей и профессионалов. Москва, 2001 год, стр.276) соединены с входами первого 12 и второго 13 ключевых элементов (например, транзисторы или двухоперационные тиристоры) соответственно, второй вывод контактора 7 подключен к общему выводу якорной обмотки 2 и обмотки возбуждения 3 тягового электродвигателя постоянного тока, его контакт управления соединен с входом формирователя импульсов 14 (например, микросхема 564АГ1, С.В.Якубовский, Л.И.Нессельсон, В.И.Кулешова, В.А.Ушибышев, М.Н.Топешкин. Цифровые и аналоговые микросхемы: Справочник. Москва, 1990 год, стр.120), первым входом первого логического элемента И-НЕ 15 и первым входом второго логического элемента И-НЕ 16, выход формирователя импульсов 14 соединен с первым входом триггера 17, выход которого подключен к первому входу счетчика импульсов 18, выход генератора импульсов 19 подключен к второму входу счетчика импульсов 18, первый, второй, третий и четвертый выходы которого соединены с входами первого 10, второго 11, третьего 20 и четвертого 21 согласующих блоков (например, драйвер IR2121, Б.Ю.Семенов. Силовая электроника для любителей и профессионалов. Москва, 2001 год, стр.276) соответственно, выходы третьего 20 и четвертого 21 согласующих блоков соединены с входами третьего 22 и четвертого 23 ключевых элементов (например, транзисторы или двухоперационные тиристоры) соответственно, пятый выход счетчика импульсов 18 соединен с вторым входом первого логического элемента И-НЕ 15, выход которого соединен с вторым входом триггера 17, выход первого датчика тока 4 соединен с вторым входом компаратора 6, выход которого соединен с входом инвертора 24 (например, микросхема 564ТЛ1, С.В.Якубовский, Л.И.Нессельсон, В.И.Кулешова, В.А.Ушибышев, М.Н.Топешкин. Цифровые и аналоговые микросхемы: Справочник. Москва, 1990 год, стр.120) и вторым входом второго логического элемента И-НЕ 16, выход которого соединен с третьим входом счетчика импульсов 18, выход инвертора 24 соединен с третьим входом триггера 17, свободный вывод якорной обмотки 2 тягового электродвигателя постоянного тока подключен к источнику питания 1, свободный вывод обмотки возбуждения 3 тягового электродвигателя постоянного тока соединен с вторым выводом первого датчика тока 4, к первому выводу контактора 7 подключен общий вывод третьего 25 и четвертого 26 резисторов, свободные выводы первого 8, второго 9, третьего 25 и четвертого 26 резисторов подключены к первым выводам первого 12, второго 13, третьего 22 и четвертого 23 ключевых элементов соответственно, их вторые выводы объединены и подключены к второму выводу второго датчика тока 5, общий вывод первого 4 и второго 5 датчиков тока соединен с землей.

Устройство работает следующим образом. При включении контактора 7 подключается цепь регулирования возбуждения тягового электродвигателя. На первый вход триггера 17 через формирователь импульсов 15 подается сигнал управления с контактора 7, на четвертый вход триггера 17 подается логическая единица, инверсный выход триггера 17 устанавливается в «ноль» и разрешает счет счетчику импульсов 18, на счетный вход которого подаются импульсы с генератора импульсов 19, состояние счетчика импульсов 18 увеличивается на единицу с приходом каждого импульса, пока не достигнет максимального значения. Каждому состоянию счетчика импульсов 18 соответствует комбинация открытых и закрытых ключевых элементов 12, 13, 22, 23 и резисторов 8, 9, 25, 26, подключенных параллельно обмотке возбуждения 3. Между счетчиком импульсов 18 и ключевыми элементами 12, 13, 22, 23 включены согласующие блоки (драйверы) 10, 11, 20, 21, согласующие выходы счетчика импульсов с входами ключевых элементов 12, 13, 22, 23. Общее сопротивление резисторов 8, 9, 25, 26 линейно уменьшается в соответствии с увеличением значения выходов счетчика импульсов 18 от нуля до максимальной величины (пятнадцати), коэффициент ослабления возбуждения плавно изменяется в заданном диапазоне. Величины сопротивлений резисторов 8, 9, 25, 26 выбраны таким образом: R₁=2R₂=4R₃=8R₄, что величина общего сопротивления резисторов 8, 9, 25, 26, подключенных параллельно обмотке возбуждения 3, изменяется линейно в соответствии с состоянием выходов счетчика импульсов 18, а частота генератора импульсов 19 выбрана так, что время, за которое происходит регулирование, соответствует времени переходного процесса в обмотке возбуждения 3. При достижении счетчиком импульсов 18 значения максимальной величины (пятнадцати) сигнал низкого уровня с выхода переноса счетчика импульсов 18 через логический элемент И-НЕ 15 сбрасывает триггер 17, тем самым запрещая дальнейший счет счетчиком импульсов 18.

При внезапном изменении напряжения в контактной сети происходит увеличение тока в якорной обмотке 2, который растет значительно быстрее, чем в обмотке возбуждения 3. Это может привести к резкому уменьшению коэффициента ослабления возбуждения. Для ограничения ослабления возбуждения тягового электродвигателя в этой ситуации в устройстве задается пороговая величина коэффициента ослабления возбуждения. При уменьшении коэффициента ослабления возбуждения меньше заданной величины напряжение на выходе второго датчика тока 5 (ток шунта) становится больше, чем на выходе первого датчика тока 4, измеряющего ток в обмотке возбуждения, и на выходе компаратора 6 появляется сигнал низкого уровня, который через логический элемент И-НЕ 16 устанавливает выходы счетчика импульсов 18 в логический «ноль» и через инвертор 24, выполняющий логическую операцию НЕ, устанавливает инверсный выход триггера 17 в «ноль». Тяговый электродвигатель переходит в режим полного возбуждения и процесс регулирования возбуждения циклически повторяется до окончания переходного процесса. При отключении контактора 7 сигнал низкого уровня с выходов первого 15 и второго 16 логических элементов И-НЕ подается на входы триггера 17 и счетчика импульсов 18 соответственно, устанавливая их в исходное состояние, подготавливая устройство к последующим включениям. Ключевые элементы 12, 13, 22, 23 при этом выключаются.

Поставленная задача реализуется благодаря тому, что в устройство введены новые элементы и добавлены новые связи, в результате чего регулирование возбуждения до заданной величины осуществляется за заданное время, для предотвращения снижения коэффициента ослабления возбуждения ниже критической величины в устройство введена обратная связь по току, что улучшает условия коммутации тягового электродвигателя и повышает надежность устройства.

Устройство для регулирования возбуждения тягового электродвигателя постоянного тока, содержащее источник питания, последовательно соединенные якорную обмотку и обмотку возбуждения тягового электродвигателя постоянного тока, первый вывод первого датчика тока соединен с первым выводом второго датчика тока, выход которого соединен с первым входом компаратора, первый вывод контактора соединен с общим выводом первого и второго резисторов, выходы первого и второго согласующих блоков соединены с входами первого и второго ключевых элементов соответственно, третий и четвертый резисторы, землю, отличающееся тем, что в него дополнительно введены третий и четвертый ключевые элементы, третий и четвертый согласующие блоки, первый и второй логические элементы И-НЕ, инвертор, формирователь импульсов, триггер, генератор импульсов, счетчик импульсов, второй вывод контактора подключен к общему выводу якорной обмотки и обмотки возбуждения тягового электродвигателя постоянного тока, его контакт управления соединен с входом формирователя импульсов, первым входом первого логического элемента И-НЕ и первым входом второго логического элемента И-НЕ, выход формирователя импульсов соединен с первым входом триггера, выход которого подключен к первому входу счетчика импульсов, выход генератора импульсов подключен к второму входу счетчика импульсов, первый, второй, третий и четвертый выходы которого соединены с входами первого, второго, третьего и четвертого согласующих блоков соответственно, выходы третьего и четвертого согласующих блоков соединены с входами третьего и четвертого ключевых элементов соответственно, пятый выход счетчика импульсов соединен со вторым входом первого логического элемента И-НЕ, выход которого соединен со вторым входом триггера, выход первого датчика тока соединен со вторым входом компаратора, выход которого соединен с входом инвертора и вторым входом второго логического элемента И-НЕ, выход которого соединен с третьим входом счетчика импульсов, выход инвертора соединен с третьим входом триггера, свободный вывод якорной обмотки тягового электродвигателя постоянного тока подключен к источнику питания, свободный вывод обмотки возбуждения тягового электродвигателя постоянного тока соединен со вторым выводом первого датчика тока, к первому выводу контактора подключен общий вывод третьего и четвертого резисторов, свободные выводы первого, второго, третьего и четвертого резисторов подключены к первым выводам первого, второго, третьего и четвертого ключевых элементов соответственно, их вторые выводы объединены и подключены к второму выводу второго датчика тока, общий вывод первого и второго датчиков тока соединен с землей.