Способ определения аварийного плеча выпрямительно-инверторного преобразователя электровоза переменного тока

Изобретение относится к диагностике преобразователя электровоза. Способ определения неисправного плеча выпрямительно-инверторного преобразователя электровоза в режиме тяги заключается в том, что измеряют мгновенные значения напряжения контактной сети, выпрямленного напряжения, выпрямленного тока. Вычисляют гармонические составляющие выпрямленного напряжения, вычисляют отношения первой, третьей и пятой амплитуды гармонических составляющих выпрямленного напряжения к амплитуде нулевой гармонической составляющей. Вычисляют интеграл отрицательной составляющей выпрямленного напряжения за полупериод напряжения сети, вычисляют выпрямленную мощность за период напряжения сети и выпрямленную мощность за половину периода напряжения сети. Путем сравнения вычисленных значений с заранее заданными значениями параметров нормального режима работы и путем сравнения вычисленных значений в текущем полупериоде напряжения контактной сети к значениям, полученным в предыдущем полупериоде, с учетом зоны регулирования делают вывод об исправности или неисправности преобразователя с указанием на номер неисправного плеча. Технический результат заключается в повышении точности и упрощении процедуры поиска неисправного плеча преобразователя. 3 ил.

 

Изобретение относится к силовой части электровозов переменного тока. Изобретение может использоваться в системах диагностики технического состояния многозонного выпрямительно-инверторного преобразователя (ВИП) электровозов переменного тока.

Общеизвестно, что быстрое и точное определение неисправного плеча преобразователя позволяет сократить время проведения восстановительных работ и уменьшению времени простоя электровоза.

Проблема существующих способов определения неисправного плеча выпрямительно-инверторного преобразователя заключается в их низкой производительности и, как следствие, увеличению времени поиска неисправного плеча.

Известен способ определения неисправного плеча выпрямительно-инверторного преобразователя электровоза переменного тока (Способ диагностики плеч выпрямительно-инверторных преобразователей электровоза переменного тока под нагрузкой / Бабичук А.К. (RU), Мельниченко О.В. (RU) RU2346829C1, №2007146074/11 заявл. 11.12.2007, опубл. 20.02.2009).

Суть способа заключается в подаче импульсов управления на различные плечи ВИП, получая при этом различные мостовые четырехплечевые схемы выпрямления, а также различные однополупериодные схемы выпрямления. Неисправное плечо определяют по величине выпрямленного тока, который в неисправном режиме равен нулю.

Достоинством данного способа является простота выполняемого алгоритма и небольшое число измеряемых параметров. Недостатком данного алгоритма является его трудоемкость. Это обусловлено необходимостью выводить ВИП электровоза в ремонт и проводить диагностирование на стоянке в локомотивном депо.

Наиболее близким к заявленному решению по совокупности существенных признаков и достигаемому результату является способ диагностики плеч ВИП в рабочем режиме путем отслеживания импульсов управления, подаваемых на плечи ВИП, с помощью блоков отслеживания - параллельных групп диодов, подключенных определенным образом к управляющим контактам плечей ВИП (Способ повышения работоспособности электровозов переменного тока в режиме рекуперативного торможения и устройство для его реализации / Устинов Р.И. (RU), Мельниченко О.В. (RU), Портной А.Ю. (RU), Шрамко С.Г. (RU), Линьков А.О. (RU), Яговкин Д.А. (RU), RU2659756C2, №2016146239 заявл. 24.11.2016, опубл. 03.07.2018) - принятый за прототип.

Способ заключается в установке блоков отслеживания импульсов на преобразователе электровоза. Блок отслеживания импульсов состоит из двух групп диодов, подключенных параллельного управляющим проводам ВИП.

Известный способ содержит следующие операции:

1. Определение направления электродвижущей силы трансформатора.

2. Установление факта наличия или отсутствия импульсов управления, поступающих в блок отслеживания импульсов.

3. Сравнение результатов, полученных в ходе операций 1 и 2 с эталонной, заблаговременно определенной, базой данных.

4. Постановка диагноза на основании результата операции 3.

В случае пропуска импульса управления на плечо ВИП, одновременно с этим по причине параллельного включения, наблюдается пропуск импульса управления на блок отслеживания импульсов. На основе этого, а также направления электродвижущей силы трансформатора в момент пропуска импульса, блок отслеживания импульсов выдает сигнал об отсутствии управляющего импульса.

Достоинством известного способа является однозначное определение плеча, на который не был отправлен управляющий импульс от блока управления ВИП. Это обусловлено параллельным включением управляющих электродов плеч ВИП и блока отслеживания импульсов.

Недостатком известного способа является ограниченная область применения в различных аварийных режимах ВИП. Например, известный способ не отслеживает неправильное функционирование плеча ВИП, вызванное обрывом этого плеча.

Технический результат - повышение точности и упрощение процедуры поиска неисправного плеча выпрямительно-инверторного преобразователя, сокращение времени поиска неисправности, а так же востановление работоспособности в рабочем режиме движения электровоза.

Для решения задачи в способ повышения работоспособности электровозов переменного тока в режиме рекуперативного торможения и устройство для его реализации дополнительно введены следующие операции:

1. Измерение и запись в массив данных мгновенных значений напряжения контактной сети, выпрямленного напряжения преобразователя, выпрямленного тока преобразователя с датчиков, установленных на преобразователе электровоза.

2. Вычисление и запись в массив данных гармонических составляющие ряда Фурье выпрямленного напряжения - амплитуды гармоник с номерами 0, 1, 3, 5 - U₀, U₁, U₃, U₅.

3. Вычисление и запись в массив данных относительного значения амплитуд гармонических составляющих напряжения с номерами 1, 3, 5 к амплитуде нулевой гармоники U₁/U₀, U₃/U₀, U₅/U₀.

4. Вычисление и запись в массив данных интеграла отрицательной составляющей выпрямленного напряжения за полупериод напряжения контактной сети.

5. Вычисление значения и запись в массив данных выпрямленной мощности за период; выпрямленной мощности за половину периода напряжения контактной сети, путем перемножения значений напряжения и тока, получаемых с датчиков.

6. Сравнение относительных значений амплитуд гармонических составляющих напряжения с заблаговременно определенными и заданными значениями нормального режима работы.

7. Сравнение значений выпрямленной мощности за полупериод к выпрямленной мощности предыдущего полупериода, выпрямленной мощности за период к выпрямленной мощности предыдущего периода.

8. Сравнение интеграла отрицательной составляющей выпрямленного напряжения за полупериод напряжения контактной сети к интегралу отрицательной составляющей выпрямленного напряжения предыдущего полупериода напряжения сети.

9. Анализ результатов, полученных в пунктах 6-8 и вывод об исправности или неисправности преобразователя электровоза с указанием на номер неисправного плеча.

Наличие в совокупности существенных признаков заявляемого решения существенных отличительных признаков свидетельствует о соответствии заявляемого способа критерию патентоспособности изобретения «новизна».

Благодаря отличительным признакам способ определения неисправного плеча ВИП электровоза позволяет однозначно определить истинное неисправное плечо и сократить время поиска неисправного плеча. Повышение точности обеспечивается сужением области поиска путем реализации вычислительных операций и логического алгоритма поиска неисправности.

Упрощение процедуры поиска достигается проведением операции сравнения расчетных и измеренных параметров с однозначным определением неисправного плеча в режиме реального времени - рабочем режиме движения электровоза.

Неожиданным результатом является то, что способ позволяет реализовать функционирование ВИП электровоза с неисправным плечом путем смены алгоритма управления работы преобразователем таким образом, чтобы неисправное плечо не участвовало в работе. Это достигается благодаря реализации способа на электронно-вычислительной машине, позволяющей определить неисправное плечо за один период напряжения сети после возникновения неисправности.

Такая причинно-следственная связь является новой, и заявляемое решение соответствует критерию патентоспособности изобретения «изобретательский уровень».

На фиг.1 показана диаграмма выпрямленного напряжения и токов плеч ВИП (I_Vs) на примере 4-ой зоны регулирования.

На фиг.2 показана диаграмма выпрямленного напряжения и токов плеч ВИП (IVS) на примере 4-ой зоны регулирования при обрыве плеча VS8.

На фиг.3 показаны мгновенные схемы замещения ВИП на 4-ой зоне регулирования при обрыве плеча VS8.

Для более подробного анализа первый полупериод разбивается на временные интервалы 0-1-2-3-4-5-π, а второй полупериод - на интервалы π-6-7-8-9-10-2π, фиг.1.

Допустим, что в предшествующем полупериоде напряжения, обозначенном на фиг.1 сплошной стрелкой, ток протекал по плечам VS2 и VS7 благодаря приложенной к ним положительного знака в этом полупериоде переменной ЭДС e_a1-x1 секций а1-1, 1-2, 2-х1 вторичной обмотки трансформатора, соединенных последовательно друг с другом. После смены в точке 0 направления э.д.с. на пунктирную стрелку на интервале 0-1 обеспечивается возникновение отрицательного выпрямленного напряжения, что объясняется все еще проводимыми ток нагрузки тиристорами плеч VS2 и VS7.

В момент времени, соответствующий точке 1 на плечо VS8 подается импульс управления с фазой α₀. Однако коммутации с плеча VS2 на плечо VS8 не происходит и ток на интервале 1-2 протекает через плечи VS2 и VS7.

В момент времени, соответствующий точке 2, на плечо VS3 подается импульс управления с фазой α₀₃. На интервале 2-3 происходит коммутация, ток в плече VS3 возрастает, а в плече VS7 падает до нуля. На интервале 3-4 ток протекает через открытые тиристорные плечи VS3 и VS2. К тяговому двигателю прикладывается напряжение, обусловленное выводами а1-1 вторичной обмотки тягового трансформатора. В момент времени, соответствующий точке 4, на плечо VS1 подается импульс управления с фазой α_р. На интервале 4-5 происходит коммутация, ток в плече VS1 возрастает, а в плече VS3 падает до нуля, выпрямленное напряжение становится равным нулю. На интервале 5-π-6 ток протекает через открытые тиристорные плечи VS1 и VS2, выпрямленное напряжение равно нулю. В момент времени, соответствующий точке 6, на плечо VS7 подается импульс управления с фазой α₀. На интервале 6-7 происходит коммутация, ток в плече VS7 возрастает, а в плече VS1 падает до нуля. В момент времени, соответствующий точке 7, на плечо VS4 подается импульс управления с фазой α₀₃. На интервале 7-8 коммутация не происходит из-за неблагоприятного направления действия э.д.с.трансформатора, ток по-прежнему протекает через открытые плечи VS2 и VS7. На интервале 8-9 ток протекает через открытые тиристорные плечи VS2 и VS7. К тяговому двигателю прикладывается напряжение, обусловленное выводами а1-х1 вторичной обмотки тягового трансформатора. В момент времени, соответствующий точке 9, на уже открытое плечо VS2 подается импульс управления с фазой α_р. На интервале 9-2π ток протекает через открытые тиристорные плечи VS2 и VS7. К тяговому двигателю прикладывается напряжение, обусловленное выводами а1-х1 вторичной обмотки тягового трансформатора.

В следующий полупериод электромагнитные процессы ВИП происходят аналогично описанным выше.

Пусть в некоторый момент времени, как сказано выше, произошел обрыв плеча VS8.

1) В таком случае соотношение между выпрямленной мощности P_d в аварийном n-м полупериоде к выпрямленной мощности P_d в предыдущем (n-1)-м неаварийном полупериоде больше заранее установленной безразмерной уставки для нормального режима. Это означает мгновенное снижение выпрямленной мощности за 0,01 секунду (половину периода напряжения контактной сети), что не характерно для нормального режима.

2) Отношение амплитуды первой гармонической составляющей выпрямленного напряжения к амплитуде нулевой гармонической составляющей выпрямленного напряжения больше заранее установленной величины уставки. U₍₁₎ / U₍₀₎ > U_ycт. Это говорит о появлении первой гармоники в выпрямленном напряжении, что характерно для аварийных режимов работы, вызванных обрывом плеч VS7 или VS8.

3) В интервале времени 0-1 выпрямленное напряжение отрицательно, значит ток протекает через плечо VS7. В интервале π-6 выпрямленное напряжение равно нулю, значит ток не протекает через плечо VS8, это говорит о том, что плечо VS8 находится в аварийном режиме.

Таким образом устанавливается взаимосвязь между диагностическими параметрами - выпрямленным напряжением, выпрямленной мощностью и аварийным плечом преобразователя.

Способ определения неисправного плеча выпрямительно-инверторного преобразователя электровоза переменного тока в режиме тяги, состоящий из: измерения мгновенных значений напряжения контактной сети, выпрямленного напряжения, выпрямленного тока, получаемых с датчиков, установленных на электровозе, вычисления гармонических составляющих выпрямленного напряжения, вычисления отношения первой, третьей и пятой амплитуды гармонических составляющих выпрямленного напряжения к амплитуде нулевой гармонической составляющей, вычисления интеграла отрицательной составляющей выпрямленного напряжения за полупериод напряжения сети, вычисления выпрямленной мощности за период напряжения сети, вычисления выпрямленной мощности за половину периода напряжения сети, путем логических операций сравнения вычисленных значений с заранее заданными значениями параметров нормального режима работы и путем сравнения вычисленных значений в текущем полупериоде напряжения контактной сети к значениям, полученным в предыдущем полупериоде напряжения контактной сети, с учетом зоны регулирования делают вывод об исправности или неисправности преобразователя электровоза с указанием на номер неисправного плеча.