CC BY
164Проблемы безопасности и надежности микропроцессорных комплексов
УДК 625.42:656.25
А. Н. Ковкин, канд. техн. наук
Кафедра «Автоматика и телемеханика на железных дорогах»,
Петербургский государственный университет путей сообщения Императора Александра I
БЕСКОНТАКТНОЕ УПРАВЛЕНИЕ ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЯМИ В СИСТЕМАХ АВТОМАТИКИ ЖЕЛЕЗНЫХ ДОРОГ И МЕТРОПОЛИТЕНОВ
Введение
Безопасное управление напольными объектами в компьютерных системах автоматики железных дорог и метрополитенов требует использования специальных устройств сопряжения, обладающих несимметричной характеристикой отказов [1]. Такие устройства могут создаваться на основе элементов с несимметричным отказом, в качестве которых чаще всего рассматриваются электромагнитные реле первого класса надежности. Однако более прогрессивным решением является использование бесконтактных схем на основе полупроводниковой элементной базы. Безопасность в этом случае обеспечивается либо за счет применения функциональных преобразователей с несимметричным отказом, обеспечивающих активизацию исполнительного объекта только при условии динамической работы полупроводниковых элементов, либо путем периодической проверки исправности полупроводниковых ключей и отключения питания от исполнительных объектов в случае обнаружения отказа.
Электрические приводы допускают использование всех перечисленных выше принципов безопасного управления. В настоящее время наибольшее распространение получают приводы на основе трехфазных асинхронных двигателей переменного тока. Важным свойством таких двигателей является то, что вращение ротора возможно лишь при подаче на обмотки двигателя переменного напряжения. Более того, вращение таких двигателей под нагрузкой возможно только при наличии трехфазного напряжения, создающего в обмотках двигателя вращающееся магнитное поле. Указанные особенности трехфазных асинхронных двигателей делают весьма привлекательным использование для управления электроприводами функциональных преобразователей с несимметричным отказом. Схемное решение функциональных преобразователей для таких двигателей представляет собой обычный инвертор, преобразующий постоянное напряжение источника питания в переменное трехфазное напряжение, необходимое для работы двигателя.
18
Системы и устройства автоматики и телемеханики
В данной статье рассматриваются особенности построения и работы силовой схемотехники функциональных преобразователей, предназначенных для управления трехфазными асинхронными двигателями электроприводов автоматики на железных дорогах и метрополитенах.
1. Особенности функционирования мостовых преобразователей при управлении двигателями в системах железнодорожной автоматики
Преобразователи для асинхронных двигателей переменного тока обычно строятся с использованием трехфазной мостовой схемы преобразования [2]. Асинхронный двигатель может подключаться к выходу схемы без использования трансформатора (рис. 1). В этом случае при определении коэффициента полезного действия (КПД) учитываются только потери мощности на силовых ключах. При оценке величины КПД принято отдельно рассматривать статические потери (потери проводимости) и динамические потери (потери переключения) [2, 3]. Потери проводимости возникают во время нахождения силовых ключей в открытом состоянии и определяются падением напряжения на ключах при протекании через них тока. Потери переключения возникают в периоды открывания и закрывания ключей, и их величина находится в прямой зависимости от частоты переключения.
временная диаграмма
работы мостового преобразователя
верхняя группа ключей
1
2
3
управляющие
сигналы
выходное
напряжение
управляющие
сигналы
Рис. 1. Управление трехфазным асинхронным двигателем с помощью мостового преобразователя
19
Проблемы безопасности и надежности микропроцессорных комплексов
Особенностью использования преобразователей для управления двигателями является отсутствие необходимости в обеспечении синусоидальной формы выходного напряжения. Кроме того, при разработке устройств сопряжения для управления приводами в системах централизации, как правило, не ставится задача регулирования частоты вращения и величины напряжения на двигателе. Это означает, что в данной области применения можно отказаться от использования широтно-импульсной модуляции и реализовать низкочастотный режим работы силовых ключей, при котором частота переключения будет иметь величину 50 Гц. При такой частоте динамическими потерями можно пренебречь и КПД мостовой схемы будет определяться исключительно потерями проводимости. Это дает возможность создавать преобразователи, имеющие КПД выше 95 %. Такой высокий КПД в сочетании с повторно-кратковременным режимом работы электроприводов позволяет существенно снизить требования к отводу тепла от силовых компонентов преобразователя. Это означает, что радиаторы в таких устройствах могут иметь незначительные размеры, что, наряду с отсутствием трансформатора, способствует существенному уменьшению габаритов изделия в целом. Таким образом, функциональный преобразователь для управления трехфазными асинхронными двигателями электроприводов представляет собой относительно технологичное и компактное электронное изделие, которое может составить достойную конкуренцию устройствам сопряжения, в которых используются иные принципы безопасного управления.
2. Реализация многопроводных схем управления двигателями
При использовании трехфазной мостовой схемы для управления стрелочными электроприводами двигатель подключается к преобразователю без использования контактов автопереключателя. Остановка двигателя происходит путем прекращения подачи управляющих сигналов на силовые ключи преобразователя по факту получения контроля крайнего положения стрелки. Реверсирование двигателя осуществляется путем изменения порядка подачи управляющих сигналов на ключевые элементы преобразователя. Недостатком данного решения является отсутствие возможности последовательного перевода спаренных стрелок с помощью одного комплекта аппаратуры, поскольку для этого требуется наличие пятипроводной рабочей цепи [4]. Кроме того, существуют приводы, которые в силу своих особенностей требуют обязательного использования многопроводных схем. Таковым, например, является привод электромеханического автостопа в метрополитенах [5]. Использование в типовых схемах для данного привода пяти проводов рабочей цепи связано с наличием в его составе токоограничивающих дросселей, которые включаются в цепь после открытия автостопа для снижения потребляемой мощности в режиме удержания. Удачным
20
Системы и устройства автоматики и телемеханики
решением для управления подобными приводами является использование многофазных преобразовательных схем. Так, для управления электромеханическим автостопом предложена пятифазная мостовая схема преобразования (рис. 2).
Рис. 2. Использование пятифазной схемы преобразования для управления электромеханическим автостопом
Особенностью функционирования данной схемы является то, что в процессе формирования трехфазного переменного напряжения для двигателя работают три из пяти пар ключей. При этом пара ключей 5 является общей для обоих направлений вращения двигателя, а остальные пары используются в зависимости от нужного направления. При открытии и удержании автостопа задействованы пары 2 и 4. При закрытии автостопа работают пары 1 и 3, осуществляющие питание двух обмоток двигателя в обход токоограничивающих дросселей.
3. Элементная база мостовых схем преобразования
В качестве коммутационных приборов в современных схемах преобразователей мощностей до нескольких десятков киловатт используются полевые транзисторы с изолированным затвором (МОП-транзисторы) или биполярные транзисторы с изолированным затвором (IGBT-транзисторы) [2, 3]. Основным достоинством транзисторов с изолированным затвором является незначительное потребление мощности от источника управляющих сигналов, что позволяет использовать для формирования сигналов управления относительно несложные схемотехнические решения, реализу-
21
Проблемы безопасности и надежности микропроцессорных комплексов
емые, как правило, в микроэлектронном исполнении. При разработке преобразователей для электрических приводов предпочтительным является использование IGBT-транзисторов. Эти транзисторы сочетают в себе положительные качества полевых и биполярных приборов и при величинах рабочего напряжения порядка нескольких сотен вольт имеют меньшую, чем у МОП-транзисторов, величину статических потерь. Диоды, включенные параллельно транзисторам, предназначены для рекуперации энергии, накапливаемой в индуктивной составляющей нагрузки преобразователя. Указанные диоды, как правило, входят в состав современных силовых транзисторов, разработанных для использования в преобразовательных схемах.
Преобразователи часто выполняются не на отдельных транзисторах, а в виде микросборок, включающих в себя необходимый набор силовых компонентов [2]. В ряде случаев в состав таких микросборок входят схемы формирования управляющих сигналов и схемы защиты преобразователя при аварийных режимах работы. Такие микросборки принято называть интеллектуальными силовыми модулями (IPM). Применение IPM вместо отдельных транзисторов и микросхем является прогрессивным вариантом, поскольку упрощает схемотехнику изделия и уменьшает его габариты. Вместе с тем необходимо учитывать, что на сегодняшний день конструктивное и схемотехническое исполнение подобных микросборок не стандартизировано. Указанный фактор существенно усложняет подбор аналогов для силовых элементов преобразователей. Поэтому, по мнению автора статьи, использование отдельных силовых ключей сохраняет актуальность, поскольку позволяет уменьшить зависимость разработчиков от продукции конкретных производителей электронных компонентов.
Заключение
В данной статье рассмотрены особенности использования мостовых преобразовательных схем для управления двигателями в системах автоматики железных дорог и метрополитенов. При этом показано, что использование низкочастотных режимов работы силовых ключей позволяет существенно повысить эффективность использования преобразовательных схем в данной области. Предложено техническое решение для реализации пятипроводных схем управления двигателями, представляющее собой пятифазную мостовую схему преобразования. Произведен краткий обзор современной элементной базы, дана оценка электронных компонентов с точки зрения возможности подбора аналогов, что может быть особенно актуально в условиях необходимости импортозамещения.
22
Системы и устройства автоматики и телемеханики
Библиографический список
1. Безопасность железнодорожной автоматики и телемеханики. Методы и принципы обеспечения безопасности микроэлектронных СЖАТ. РТМ 32 ТТТТТ 1115842.01-94. - СПб. : ПГУПС, 1994. - 120 с.
2. Воронин П. А. Силовые полупроводниковые ключи: семейства, характеристики, применение / П. А. Воронин. - М. : Издательский дом «Додэка-ХХ1», 2001. - 384 с.
3. Семенов Б. Ю. Силовая электроника для любителей и профессионалов / Б. Ю. Семенов. - М. : СОЛОН-Р, 2001. - 327 с.
4. Переборов А. С. Телеуправление стрелками и сигналами : учебник для вузов ж.-д. транспорта / А. С. Переборов, А. М. Брылеев, В. Ю. Ефимов, И. М. Кокурин, Л. Ф. Кондратенко ; под ред. А. С. Переборова. - 3-е изд., перераб. и доп. - М. : Транспорт, 1981. - 390 с.
5. Лаврик В. В. Электрическая централизация стрелок и сигналов метрополитенов / В. В. Лаврик. - М. : Транспорт, 1984. - 239 с.
Email: [email protected]
23
