Электронное оборудование

      1 Электронное оборудование

      1.1 Статический преобразователь собственных нужд ПСН200

      1.1.1 Назначение статического  преобразователя 

      Преобразователь статический собственных нужд ПСН200 (далее "преобразователь") предназначен для питания обмоток возбуждения тяговых электродвигателей в режиме тяги, рекуперации и электродинамического торможения, питания вспомогательных электрических приводов и механизмов, цепей управления и освещения, а также заряда аккумуляторной батареи магистрального грузового электровоза постоянного тока 2ЭС4К.

      Источником  питания преобразователя является контактная сеть постоянного тока номинальным напряжением 3000 В.

      Технические характеристики преобразователя приведены в таблице 1.1.

Таблица 1.1 – Основные параметры и характеристики преобразователя

       1.1.2 Состав преобразователя. 

       Преобразователь для одной секции электровоза включает в себя:

       – шкаф защит;

       – два стабилизатора напряжения понижающего типа РН3000;

       – два управляемых выпрямителя СТПР1000;

       – два стабилизатора напряжения понижающего типа СТПР600;

       – шкаф преобразования частоты (ПЧ);

       – два преобразователя напряжения в код (ПНКВ);

       – два блока связи со средствами измерения (БС).

      Все составные части преобразователя  имеют законченное конструктивное исполнение и снабжены блочными частями соединителей. Объединение блоков осуществляется кабелями, снабженными кабельными частями соединителей.

      Структурная схема комплекта ПСН для одной секции электровоза приведена  на рисунке 1.1. 

      Рисунок 1.1 - Структурная схема ПСН одной секции электровоза 

      1.1.3 Резервирование преобразователя. 

      В целях повышения надежности ПСН применена концепция резервирования шкафов преобразователя. Схема резервирования представлена на рисунке 1.2. Переключение коммутирующих устройств осуществляется в ручном режиме, при выходе из строя одного или нескольких шкафов преобразователя. Данный режим работы является аварийным. В этом режиме работы неисправный шкаф или шкафы преобразователя отключаются от питающего напряжения соответствующими контакторами, а тяговые электродвигатели переводятся в режим последовательного возбуждения. Конструктивно резервирующие контакторы расположены в блоке аппаратов №3 (схема электрическая соединений МАВБ.661123.030 Э4.1 разработки ОАО «УЗЖМ»).  

       Рисунок 1.2 -Схема резервирования преобразователя 

      1.1.4 Шкаф защит. 

      Шкаф  защит предназначен для защиты от атмосферных и коммутационных перенапряжений и бросков тока, а также для ограничения влияния работы инверторов на электромагнитные процессы в контактной сети и процессов в контактной сети на работу инверторов.

      Шкаф  защит обеспечивает отключение аппаратуры преобразователя от контактной сети с выдачей дискретного сигнала в МПСУиД при повышении напряжения контактной сети выше 4000В, при этом работоспособность аппаратуры сохраняется. Время от момента обнаружения повышенного напряжения до выдачи команды на отключение не  превышает 100 мс.

      Шкаф  защит состоит из дросселя защиты, датчика напряжения контактной сети и схемы активного подавления выбросов входного напряжения.

      Кратковременные выбросы напряжения контактной сети фильтруются с помощью дросселя защиты.

      При длительных выбросах напряжения датчик контактной сети формирует выходной сигнал, вызывающий срабатывание схемы активного подавления выбросов. При этом одновременно формируется сигнал на отключение быстродействующего контактора, что вызывает снятие напряжения со входа преобразователя. Величина напряжения, при котором срабатывает схема активной защиты, зависит от параметров выброса первичной сети и установлена на уровне (6-9) кВ. 

      1.1.5 Стабилизатор напряжения понижающего типа РН3000. 

      Стабилизатор  напряжения понижающего типа РН3000 предназначен для питания силовой части преобразователя ПСН200 в диапазоне рабочих напряжений контактной сети (2700-4000 В).

      РН3000 обеспечивает стабилизацию выходного  напряжения постоянного тока с номинальным значением 1000 В±10% .

      РН3000, упрощенная схема силовой части изображена на рисунке 1.3, представляет собой преобразователь напряжения, построенный по классической схеме понижающего DC\DC (постоянный ток\постоянный ток) конвертора и функционально состоит из следующих основных узлов:

      - силового ключа (VT1), осуществляющего высокочастотную коммутацию (роль ключа выполняет мощный транзисторный IGBT- модуль);

      - разрядного диода (VD1);

      - низкочастотного сглаживающего LС- фильтра;

      - системы управления (СУ) и обратной связи, осуществляющей стабилизацию напряжения.

      Рисунок 1.3 - Упрощенная схема силовой части регулятора РН3000 

      Рабочий цикл регулятора состоит, как показано на рисунке 1.4, из двух фаз: фазы накачки энергии и фазы разряда на нагрузку.

      Рисунок 1.4 - Временная диаграмма импульсов управления транзистором

      Фаза 1- накачка энергии

      Эта фаза протекает на протяжении времени . Ключевой элемент VT1 замкнут, и проводит ток , который течет от источника питания (контактной сети) к нагрузке через дроссель L1, в котором в это время происходит накопление энергии. В это же время подзаряжается конденсатор С1. Работа элементов в этой фазе показана на рисунке 1.21.

      Рисунок 1.5- Фаза накачки энергии

      Фаза 2- разряд

      По окончании фазы 1 происходит размыкание ключа VT1, ток , поддерживаемый индуктивным элементом, вынужден замыкаться через разрядный диод VD1. Поскольку источник питания отключен, дросселю неоткуда пополнять убыль энергии, поэтому он начинает разряжаться по цепи «диод- нагрузка», как показано на рисунке 1.6.

      Рисунок 1.6 - Фаза разряда

      Через промежуток времени ключ вновь замыкается и процесс повторяется.

      Рабочая частота стабилизатора задается схемой управления и определяется формулой:

      где Т- период коммутации схемы управления стабилизатора.

      Напряжение на нагрузке прямо пропорционально ширине импульса . Когда ключ открыт на длительное время, . Когда ключ на длительное время закрыт, . Отсюда ясно, что

       ,

      где - коэффициент заполнения.

      Управление ключевым транзистором, производится путем формирования  ШИМ- сигнала под управлением ПИД- регулятора. 

      Таким образом, управляя только коэффициентом заполнения , увеличивая или уменьшая длительность открытого состояния ключа, осуществляется регулирование напряжения на выходе РН3000. 

      1.1.6 Управляемый выпрямитель СТПР1000. 

      Управляемый выпрямитель СТПР1000 предназначен для питания обмоток возбуждения тяговых электродвигателей в режиме тяги, рекуперации и электродинамического торможения.

      СТПР1000 обеспечивает преобразование входного напряжения 1000 В в  напряжение прямоугольной формы с амплитудой ±50 В для питания двух последовательно соединенных обмоток возбуждения тяговых электродвигателей, плавное регулирование токов обмоток возбуждения тяговых электродвигателей в диапазоне 0-800 А в режиме тяги, рекуперации и электродинамического торможения, а также стабилизацию выходного напряжения постоянного тока номинальным значением 160 В±10%.

      СТПР1000, упрощенная схема силовой части изображена на рисунке 1.9, представляет собой двухтактный преобразователь напряжения, построенный по классической полумостовой схеме DC\DC  конвертора.

      Состав  СТПР1000:

      - силовой транзисторный IGBT модуль (VT1,VT2), осуществляющий высокочастотную коммутацию;

      - силовой понижающий трансформатор  (Т1);

      - неуправляемый диодный выпрямитель  (В1,В2);

      - система управления (СУ)

      - блок связи с управляемым выпрямителем (БС-УВ).

      Рисунок 1.7 - Упрощенная схема силовой части СТПР1000 

      При подаче на вход инвертора напряжения постоянного тока с номинальным значением 1000 В±10% в зависимости от полученной уставки по току возбуждения из МПСУиД и датчиков тока якоря и тока возбуждения, СУ формирует ШИМ- сигнал с требуемой скважностью под управлением ПИД- регулятора и обеспечивает на выходе выпрямителя протекание тока, среднее значение которого соответствует заданному из МПСУиД.

      БС-УВ осуществляет:

       - прием информации о токах якоря и тока возбуждения от ПНКВ по внутренней магистрали RS-485 блока СТПР1000;

      - прием от БС  информации о коэффициенте компаундирования и уставке по току возбуждения и передачу этой информации в СТПР1000;

      - выдачу в БС  значений тока якоря и тока возбуждения;

      - диагностирование наличия связи с СУ СТПР1000 и передачу этой информации в БС;

      - прием от СТПР1000 диагностической информации о функционировании силовой сборки и передачу ее в БС.

      Напряжение постоянного тока номинальным значением 1000 В±10% поступает на входной LC- фильтр, который исключает возможность уменьшения напряжения питания в моменты коммутации транзисторных IGBT- модулей и ограничение бросков тока. Далее сигнал поступает на однофазный полумостовой автономный инвертор напряжения, где происходит его инвертирование, при этом регулирование выходного напряжения осуществляется методом широтно-импульсной модуляции.

      Временные диаграммы, поясняющие принцип работы инвертора показаны на рисунке 1.8. 

      Рисунок 1.8 - Временные диаграммы импульсов управления транзисторами. 

      Каждое  плечо инвертора работает поочередно, а импульсы управления сдвинуты друг относительно друга на время  , с целью предотвращения сквозного тока, который может возникнуть в том случае, когда транзистор VT1 еще полностью не закрылся, а транзистор VT2 уже открылся, при этом клеммы входного источника напряжения замыкаются накоротко.

      При подаче импульса управления, открывающего транзистор VT1, напряжение, приложенное к первичной обмотке трансформатора, имеет полярность, указанную на рисунке 6 в скобках. Затем системой управления формируется импульс, запирающий VT1, и через временной интервал система управления формирует импульс, открывающий VT2. Полярность напряжения в этом случае указана без скобок.

      Далее аналогичные процессы повторяются. Таким образом, форма напряжения в первичной и вторичных обмотках трансформатора, представляет собой близкие к прямоугольным двуполярные  импульсы.

      Инвертированное напряжение со вторичной обмотки  II силового понижающего трансформатора Т1, поступает на неуправляемый мостовой выпрямитель В1 с выходным С- фильтром, обеспечивающим заданное качество пульсаций выпрямленного напряжения и далее к обмоткам возбуждения соответствующих тяговых электродвигателей.

      Инвертированное напряжение со вторичной обмотки  III силового понижающего трансформатора Т1, подается на неуправляемый мостовой выпрямитель В2 с выходным C- фильтром.

      Стабилизация  выходного напряжения постоянного тока на заданном уровне осуществляется за счет отрицательной обратной связи (ООС) по выходному напряжению, которой охвачен преобразователь.  

      1.1.7 Стабилизатор напряжения понижающего типа СТПР600. 

      Стабилизатор  напряжения понижающего типа СТПР600 предназначен для питания шкафа преобразования частоты.

      СТПР600 обеспечивает стабилизацию выходного  напряжения постоянного тока  номинальным значением 600 В±10%.

      Состав  и принцип работы стабилизатора напряжения понижающего типа СТПР600 полностью аналогичны РН3000.

      Описание  работы стабилизатора напряжения понижающего типа СТПР600 аналогично работе РН3000, за исключением разных значений входного и стабилизированного выходного напряжения. 
 

      1.1.8 Шкаф преобразования частоты ПЧ 

      Шкаф  преобразования частоты предназначен для питания вспомогательных электрических приводов и механизмов, устройств отопления и кондиционирования воздуха кабины машиниста, цепей управления и освещения, а также заряда аккумуляторной батареи.

      Шкаф  ПЧ обеспечивает длительную работу асинхронных электродвигателей с частотами от 16 до 50 Гц в зависимости от токов тяговых электродвигателей, плавный разгон при пуске от 2.5 Гц и плавный переход с одной частоты на другую, а также стабилизацию напряжения бортовой сети электровоза и заряд аккумуляторной батареи.

      Шкаф  преобразования частоты представляет собой преобразователь напряжения типа DC\DC и преобразователь типа DC\AC (постоянный ток\переменный ток), размещенных в одном корпусе  и функционально состоит из следующих основных  узлов:

      - входного LC- фильтра;

      - высоковольтного управляемого однофазного автономного инвертора напряжения, выполненного на базе транзисторных IGBT- модулей;

      - силового трансформатора (Т1), понижающего напряжение инвертора и осуществляющего гальваническую развязку входных цепей с выходными;

      - мостового однофазного неуправляемого выпрямителя В1,В2 с выходным Г-образным LC- фильтром, обеспечивающим заданное качество пульсаций выходного напряжения;

      - трёх трёхфазных управляемых инверторов напряжения, выполненных на базе транзисторных IGBT- модулей, с фильтром напряжения на выходе каждого инвертора (Ф);

      - системы управления (СУ)

      - блока связи со шкафом ПЧ (БС-ПЧ). 

      1.1.9 Преобразователь напряжения в код. 

      Преобразователь напряжения в код ПНКВ предназначен для преобразования сигналов с датчиков тока якоря и тока обмоток возбуждения тяговых электродвигателей в кодовый сигнал, с целью передачи его по интерфейсу RS-485.

      По принципу действия ПНКВ представляет собой средство измерения на основе цифрового преобразователя входного напряжения в пропорциональный частотный сигнал и микропроцессора, выполняющего преобразование частотного сигнала в кодовый. 

      1.1.10 Блок связи со средствами измерения. 

      Блок связи со средствами измерения предназначен для сбора  информации от преобразователя и взаимодействие  с  МПСУиД по двум кодовым линиям связи по  магистральному  интерфейсу RS-485.

      БС  осуществляет кодовое и информационное взаимодействие комплекта ПСН с МПСУиД по интерфейсу RS-485, в соответствии с исходными данными.  

      1.1.11 Система управления. 

      Система управления состоит из двух частей:

      - системы управления преобразователем;

      - системы управления  возбуждением  тяговых электродвигателей.

      Система управления преобразователем предназначена  для приема информации от системы управления верхнего уровня, ее обработки и выдачи управляющих команд на исполнительные устройства преобразователя, а также для приема информации от исполнительных устройств преобразователя и передачи ее к системе верхнего уровня.

      Система управления возбуждением тяговых электродвигателей предназначена для приема информации от системы верхнего уровня и от внешних датчиков, ее обработки и выдачи управляющих команд к блокам возбуждения. А также для приема информации от блоков возбуждения и передачи ее к системе верхнего уровня.

      Система управления преобразователем обеспечивает ограничение нарастания напряжения на нагрузке каналов №1–№6 на уровне 500 В/мкс, ограничение выходного тока по всем каналам преобразования, плавный вывод выходного напряжения до номинального значения не более чем за 2мс.

      Система управления возбуждением тяговых электродвигателей  обеспечивает в неустановившихся режимах работы тяговых электродвигателей форсированное изменение токов обмоток возбуждения и ограничение среднего за половину периода преобразования напряжения канала на уровне ±64 В, при напряжении контактной сети 2200-4000 В. Система управления осуществляет регулирование токов обмоток возбуждения тяговых электродвигателей по следующему закону:

      где I_в- ток обмоток возбуждения тяговых электродвигателей одной тележки; 

              I_a- ток якоря тяговых электродвигателей одной тележки;

              I_зад-заданное значение тока возбуждения для режима холостого хода;

              К- коэффициент компаундирования.

      Значения  К и I_зад передаются от системы управления электровозом.

      В неустановившихся режимах работы тяговых  электродвигателей при абсолютном значении скорости изменения тока якоря  превышающем 10000 А/с величина коэффициента компаундирования увеличивается в два раза, а при снижении абсолютного значения скорости изменения тока якоря до 500 А/с снижается до значения, заданного системой управления электровоза.

      Преобразователь имеет встроенную систему диагностики,  обеспечивающую проверку функционирования основных узлов с передачей диагностической информации системе управления верхнего уровня.

      Система управления размещается в шкафах преобразователя и питается от бортовой сети электровоза с номинальным напряжением 110 В. Допустимый диапазон изменения питающего напряжения  77-130 В. 

      1.2 Микропроцессорная система управления и диагностики МПСУ и Д

      1.2.1 Назначение. 

      Микропроцессорная система управления и диагностики МПСУ и Д выполняет функции управления всеми системами электровоза, требующие логической последовательности по командам, получаемым с пульта, с учетом сигналов, получаемых от датчиков.

      МПСУ  и Д устанавливается в каждой секции электровоза, при этом осуществляется взаимодействие между секциями электровоза по межкузовной линии связи.

      МПСУ  и Д обеспечивает:

      - автоматизированное управление  системами электровоза в режимах  «Ручное регулирование»  по командам с пульта управления и «Авторегулирование» с учетом профиля пути и сигналов, получаемых от датчиков;

      - контроль за состоянием оборудования  и агрегатов;

      - диагностику оборудования и аппаратов. 

      1.2.2 Состав системы управления. 

      Все устройства, входящие в МПСУ и Д  и взаимодействующие с ней, разделяются на системы и подсистемы трехуровневой организации обмена информацией.

      1-й  уровень.

      1.2.2.1 Подсистема аналоговых измерений (подсистема СИ) обеспечивает:

      - прием и обработку аналоговых сигналов о напряжениях и токах в различных участках силовой цепи электровоза;

      - прием и обработку аналоговых  сигналов датчиков или преобразователей давления пневматической системы;

      - прием и обработку аналоговых сигналов от датчиков температуры;

      - передачу обработанных сигналов  в линии связи с МСУЛ-А.

      1.2.2.2 Подсистема СИ включает в себя:

      - блок связи со средствами измерения  БС-СИ  (АВМЮ.466225.005-02);

      - преобразователи напряжения в код ПНКВ-1-1А (АВМЮ.411619.001);

      - делители напряжения ДН4 (АВМЮ.434312.002-01);

      - блок связи с датчиками давления  БС-ДД (ПЮЯИ.406239.001);

      - преобразователи давления измерительные  ДД-И-1,00-01 или датчики избыточного  давления ДДИ-1;

      - измерители сопротивления изоляции МГМ-1 (АВМЮ.411212.001);

      - счетчик электрический постоянного  тока СКВТ-М (АВМЮ.411152.001).

      1.2.2.3 Блоки подсистемы СИ соединены между собой одноканальной линией связи, но информация от них дублируется в блоке БС-СИ на оба канала МСУЛ-А.

      1.2.2.4 Также на 1-ом уровне обеспечивается совместная работа МПСУ и Д с другими подсистемами:

      - с подсистемой авторегулирования  (подсистема ПСН);

      - с подсистемой выявления боксования  и юза (подсистема ПБЗ).

      2-й уровень.

      1.2.2.5 Микропроцессорная система управления локомотивом (МСУЛ-А) обеспечивает:

      - разгон электровоза до заданной  скорости с возможностью последующего автоматического поддержания скорости в диапазонах, определяемых тяговыми характеристиками электровоза;

      - плавное изменение силы тяги  в режиме независимого возбуждения тяговых двигателей;

      - электрическое торможение до  заданной скорости с возможностью  последующего автоматического поддержания скорости на спусках;

      - плавное изменение силы торможения;

      - защиту от боксования и юза;

      - регулирование частоты вращения вентиляторов охлаждения ТЭД в зависимости от токовой нагрузки ТЭД;

      - ограничение величины тока и  его скорости нарастания в  якорях ТЭД;

      - регулирование и ограничение  тока возбуждения ТЭД;

      - контроль протекающих процессов  при управлении электровозом с отображением результатов на мониторе и выдача голосовой информации;

      - дублирование основных функций  по двухканальной линии связи;

      - запись в энергонезависимую память  параметров функционирования для  последующей расшифровки на ПК  действий машиниста в управлении электровозом, его состояния и состояния МПСУ.

      1.2.2.6 Система МСУЛ-А включает в себя:

      - блок связи с пультом управления  электровозом БСП (04Б.07.00.00);

      - блок управления контакторами  БУК-3 (04Б.10.00.00-03);

      - блок входных сигналов БВС  (04Б.08.00.00);

      - блок центрального вычислителя  БЦВ (04Б.06.00.00);

      - два комплекта мониторного блока,  в том числе монитор, клавиатура  и кабель (ПЮЯИ.668411.002, ПЮЯИ.467841.003-01, ПЮЯТ.685622.279-01)

      - пульт управления ПУ-МСУЛ (АВМЮ.468313.001);