CC BY
22
УДК 529.62
САЦЮК А.В., старший преподаватель (Донецкий институт железнодорожного транспорта)
Двухпроводная схема управления стрелкой с асинхронным двигателем
Satsuk A.V., Senior Lecturer (DRTI)
Two-wire control circuit with an arrow with an asynchronous motor
Введение
Известно, что на станциях отечественной железной дороги наиболее распространённым решением управления стрелкой является двухпроводная схема с двигателем постоянного типа МСП [1,2,3]. Это объясняется прежде всего тем, что источник постоянного тока может быть легко резервирован аккумуляторной батареей [1,2]. Кроме того, популярность двухпроводной схемы связана с применением всего двух линейных проводов Л1 и Л2, которые являются одновременно каналом управления и контроля за положением стрелки. Тем самым осуществляется экономия кабеля на оборудование одной стрелки.
Наряду с тем, эта схема имеет ряд существенных недостатков, связанных с применением двигателя постоянного тока (ДПТ):
- конструкция ДПТ, сложна из-за наличия щеточно-коллекторного узла, вследствие чего двигатель имеет высокую стоимость, низкую технологичность изготовления и недостаточную эксплуатационную надежность [1];
- схема допускает возникновение ложного контроля положения стрелки, остановившейся в промежуточном положении, когда в зазоре между
угольной щеткой и медной пластиной коллектора возникает электрическая дуга, обладающая вентильным эффектом [2];
- аппаратура схемы имеет низкую эксплуатационную надежность и малый срок службы из-за интенсивной эрозии контактов реле и коллекторно-щеточного узла постоянным рабочим током, особенно при пуске ДПТ и его реверсирования из среднего положения [2,4];
- применение неодинакового рода тока в контрольных и рабочей цепях не исключает возможность получения ложного контроля положения стрелки при перекрытии электрической дугой фронтового и тылового контактов пусковых реле [2,3].
Перечисленные недостатки
устраняются применением
пятипроводной схемы со сравнительно не дорогим и надежным асинхронным двигателем (АД) с короткозамкнутым ротором типа МСТ. Однако для функционирования такой стрелки необходимо использовать пять линейных проводов.
Таким образом, в работе предлагается рассмотреть
альтернативное схемное решение управления стрелкой, которое включает основные достоинства двухпроводной и пятипроводной схемы управления
стрелкой с централизованным питанием.
Цель работы
Наиболее дорогой элемент аппаратуры управления стрелкой является линия связи [5]. Поэтому целесообразно выбрать в качестве объекта модернизации двухпроводную схему управления стрелкой. Для устранения вышеперечисленных
недостатков в данной схеме предлагается применить трехфазный
асинхронный двигатель с
короткозамкнутым ротором. Таким образом, целью модернизации является схема согласования существующей двухпроводной схемы управления стрелкой с централизованным питанием постоянным напряжением с трехфазным двигателем переменного тока.
Основная часть
Рассмотрим структуру
предложенной схемы (рисунок 1).
ДЦ В1 Т
Плата управления
0
С о
БП
5В -►
15В
I
Интеллектуальный драйвер -1
Ь1 Ь2 Ь3 11 12 13
шш.
Цу
Инвертор
МСТ
ДГ
о
АП
Согласующим звеном, которое обеспечивает логическую и
электрическую связь между
существующей двухпроводной схемой и АД является плата управления.
Плата управления включает такие
узлы:
ДЦ - дифференцирующая цепочка; В - выпрямительный мост; Т - триггерный элемент; БП- блок питания; МП - микропроцессор; интеллектуальный драйвер
изолированного затвора; трехфазный
инвертор;
ДТ - датчик тока.
В начальный момент времени МП содержит в своей энергонезависимой памяти заданное и текущее состояние стрелки. Текущее состояние стрелки определяется контактами
автопереключателя АП. Заданное состояние определяется посредством элементов ДЦ, В1 и Т.
Когда на линии Л1 и Л2 происходит смена полярности, ДЦ реагирует на это коротким импульсом отрицательной или положительной полярности (рисунок 2). Если импульс положительный, то посредством Т генерируется логическая единица в канал дискретного порта МП, который
отвечает за прием команды на перевод стрелки в плюсовое положение. Если импульс отрицательный, то логическая единица появляется на втором канале МП, отвечающий за прием команды на перевод стрелки в минусовое положение. При этом оба канала Q1 и Q2 взаимоисключающие. Сигнал, поступающий на один из каналов записывается в память и хранится там до момента прихода новой информации. Одновременное появление единицы в обоих каналах исключается триггером Т. Если в системе произошёл сбой питания, то МП возвращает из памяти программ последнее заданное положение стрелки, предварительно сверив его с положением датчика АП.
U,B А Л1
Л2 dU/dt
Г I
I
\dU/dt\
о и й
L
I
(У
Команда стрелка в
«+»
9
Ш
Команда стрелка в «-»
t
t
t
t
t
Рис.2. Диаграмма формирования команды микропроцессору на перевод стрелки
Питание микропроцессора МП и драйвера затвора ключей
осуществляется посредством БП, построенном на базе DC/DC преобразователя с выходными напряжениями 5 и 15 вольт. Источником входного напряжения БП
является постоянное напряжение линия Л1, Л2. Для получения необходимой полярности в системе питания, на входе БП применяется выпрямительный мост В1. Выходное напряжение моста является шинами питания трехфазного инвертора.
Трехфазный инвертор служит для управления приводного двигателя посредством формы сигнала и алгоритма, который задает МП. Поскольку нагрузка на валу двигателя является постоянной, то для управления АД применяется алгоритм
пропорционального частотного
управления (1).
— = const, (1)
f , ()
где U - фазы напряжение на выходе
инвертора, В;
У! - частота фазного напряжения на выходе инвертора.
Такой алгоритм позволяет получить механическую характеристику двигателя, критический момент которого Мк при любой скорости
вращения ротора остается постоянной величиной (рисунок 3). Это условие важно при пуске двигателя и работы его на повышенных скоростях (например, в стрелочных приводах сортировочной горки).
Рис. 3. Механическая характеристика АД при частотном регулировании по закону
—— = М = co■nst Л
При таком подходе управления помощи сигнала широтно-импульсной
генерация сигнала осуществляется при модуляции с точной фазой (рисунок 4).
Рис. 4. Временная диаграмма управляющего широтно - импульсного модулированного
сигнала
Ее математическая модель с учетом трехфазной системы питания
двигателя имеет вид [6]
(2)
= "«нгОм!*) + + 0С)) +
+ ^^¿Л. + О + «КО)
"ркгтвСО = 7 + 120) + ж™ + <?с)) +
- ' - V - : - 12Г : '
Щ^с^Х) = ^со&щЬ + 240) + =!—/о + дс)) +
¿1 т ?г \ £ / ¡¿1
+ О + 240))
где М - индекс модуляции М —
}п- функция Бесселя первого рода /„ С^) = ~— /0 е-*200* ве^1 (18;
0)с- угловая частота несущего сигнала 0)с = 2л[с;
0)^- несущая частота опорного сигнала 0)^ = 2л/± \
у.-- начальная фаза несущего сигнала;
6начальная фаза опорного сигнала;
¡-•-_- амплитуда опорного синусоидального напряжения;
Ст- амплитуда пилообразного сигнала;
111т - амплитуда опорного сигнала;
■.■.---, - границы допустимых угловых частот для силовых ключей, и частот, которые оговорены в правилах Котельникова для данного сигнала.
Поскольку управление стрелкой осуществляется по двум проводам Л1 и Л2 входным воздействием на цепь управления инвертором является
команды микропроцессора Q1 и Q2 (рисунок 2). Тогда выражение (2) в упрощённом виде будет иметь следующий вид для всех управляющих
состоянии
— U.
со
tswtn^
■■..■ -f'» 01=1-л 02 = и;
(3)
pwmC ^ ^
(4)
Данные выражения позволяют связать управляющие воздействия (2), получаемые от микропроцессорного устройства с командами, получаемыми от поста ЭЦ
Вывод
Описанное решение позволит провести модернизацию двухпроводной схемы управления стрелкой путем оборудования ее двигателем МСТ. В результате проведённой модернизации ожидается:
- повышения показателей надежности за счет применения более надежного асинхронного двигателя;
- уменьшения затрат на обслуживания приводного двигателя;
- устранения вредных влияний, связанных с наличием коллекторно-щеточного узла.
Список литературы:
1. Стажарова Л.Н., Каменский В.В. Схемы управления стрелками: Методические указания для
самостоятельного изучения. - Ростов
(5)
н/Д: Рост. гос. ун-т путеИ сообщения, 2004. - 38 с.
2. Станционные системы автоматики и телемеханики: Учеб. для вузов ж.-д. трансп. / В.В. Сапожников, Б.М. Елкин, И.М. Кокурин и др.; Под ред. В.В. Сапожникова. - М.: Транспорт, 2000. - 432 с.
3. Схемы релеинои централизации малых станции / П.К. Велтистов. Изд. 2-е, перераб. и доп. -М.: Транспорт, 1974. - 216 с.
4. Правила техническои эксплуатации железных дорог Российской Федерации. - М.: Транспорт, 1993. - 160 с.
5. Казаков А.А., Бубнов В.Д., Казаков Е.А. Станционные устройства автоматики и телемеханики. - М.: Транспорт, 1990. - 432 с.
6. Сацюк А.В., Разработка модели оптимального управления двигателем компрессорной станции на сортировочной горке. Сборник научных трудов Донецкого института железнодорожного транспорта, №44, Донецк ,2017. - С. 9-23
Аннотации:
В статье рассматривается альтернативное решение модернизации двухпроводной схемы управления стрелкой. В основе модернизации лежит замена двигателя марки МСП на более надежный двигатель МСТ. Для этого в работе рассмотрена структура предложенного микропроцессорного контроллера с инвертором, с помощью которых проводится модернизация традиционных схем управления стрелкой.
Ключевые слова: схема управления стрелкой, инвертор, асинхронный двигатель, микропроцессорный контроллер, двухпроводная схема управления стрелкой, пятипроводная схема управления стрелкой.
In the article, an alternative solution for the modernization of the two-wire control scheme of an arrow is considered. At the heart of the modernization is the replacement of the engine of the SME brand, the more reliable engine of the MCT. For this purpose, the structure of the proposed microprocessor controller with inverter is considered in the paper, with the help of which the traditional control schemes for the arrow are modernized.
Keywords: arrow control scheme, inverter, asynchronous motor, microprocessor controller, two-wire control circuit for an arrow, a five-wire control circuit for an arrow.
