CC BY
48826
Надежность, живучесть, безопасность
УДК 656.257
Контроль исправности рабочей цепи электроприводов
А. Б. Никитин, А. Н. Ковкин
Кафедра «Автоматика и телемеханика на железных дорогах»
Аннотация. Обосновывается актуальность непрерывного диагностирования рабочей цепи электроприводов в системах железнодорожной автоматики. Приводятся принципы реализации непрерывного диагностирования и требования к диагностическим схемам контроля. Рассматривается диагностическая схема контроля рабочей цепи, разработанная для применения в составе аппаратуры микропроцессорной централизации МПЦ-МПК.
Ключевые слова: электрический привод; рабочая цепь; контрольная цепь; диагностическая схема контроля.
1 Введение
Электрический привод является важнейшим элементом систем железнодорожной автоматики. На железных дорогах электроприводы используются для централизованного перевода стрелок, дистанционного закрепления составов тормозными упорами УТС, управления шлагбаумами переездной сигнализации, устройствами заграждения на переездах, разъединителями в контактной сети при наличии на станции различных систем электрической тяги. Электроприводы применяются также в метрополитенах для управления электромеханическими автостопами, осуществляющими принудительную остановку поезда при проезде запрещающего показания. Одним из требований к разрабатываемым вновь средствам диагностирования для данных устройств можно считать наличие функции упреждающего обнаружения отказов, т. е. до того, как возникает необходимость в управлении объектом. Возможность раннего обнаружения отказов позволит свести к минимуму негативное влияние отказов устройств на выполнение задач транспортного комплекса. При этом наиболее эффективным является метод раннего обнаружения отказов путем непрерывного контроля исправности цепей.
Непрерывный контроль исправности имеет особое значение для выявления предотказных состояний, представляющих собой постепенное ухудшение электрических соединений. В качестве примера можно привести схему управления стрелочным электроприводом (СЭП). Нарушение контакта в рабочей цепи СЭП на ранних этапах может возникать кратковременно и только при интенсивном механическом воздействии на привод при движении поезда по стрелочному переводу или по близко расположенным путям. В процессе установки маршрутов привод может функционировать нормально. Однако со временем электрическое соединение может ухудшиться настолько, что кратковременный обрыв цепи превратится в постоянный, и перевод стрелки станет невозможным. Очевидно, что такого развития событий можно было бы избежать при наличии технической возможности выявлять кратковременное нарушение контакта в периоды времени, когда стрелка не переводилась.
В релейных и релейно-процессорных системах централизации для контроля исправности рабочей цепи СЭП переменного тока используется фазоконтрольный блок, формирующий при исправной цепи напряжение для удержания реле НПС [1, 2]. Однако контроль в этом случае осуществляется лишь во время перевода стрелки, и решить задачу раннего обнаружения отказов таким образом невозможно.
Следует отметить, что в такой постановке задача диагностирования наиболее актуальна для схем управления, в которых рабочая цепь электропривода отделена от контрольной цепи, поскольку любой отказ рабочей цепи в таких схемах при отсутствии соответствующих средств диагностирования может быть обнаружен лишь в процессе управления объектом. Если схема предусматривает использование общих проводов для управления и контроля (например, двух-
Надежность, живучесть, безопасность
27
проводная схема управления СЭП), острота проблемы несколько снижается. Однако и в этом случае существуют отказы, которые не могут быть обнаружены ранее, чем потребуется включить электродвигатель. И если в контрольной цепи любой отказ обнаруживается немедленно, без использования каких-либо дополнительных средств, то для контроля исправности рабочей цепи при выключенном двигателе электропривода необходимо специальное техническое решение -диагностическая схема контроля (ДСК).
2 Требования к диагностическим схемам контроля исправности рабочей цепи
ДСК относятся к устройствам, не реализующим функций, связанных с безопасностью, но работающим в составе оборудования, отвечающего за безопасность. Наиболее важным требованием к ДСК является отсутствие опасного влияния на аппаратуру и напольные объекты при нормальном функционировании и возникновении любых неисправностей. Применительно к электроприводам железнодорожной автоматики это означает, что должна исключаться возможность несанкционированного вращения ротора электродвигателя как неподвижного, так и ранее вращающегося. Если рабочая цепь совмещена с контрольной цепью, дополнительно должна быть исключена возможность получения ложного контроля состояния напольного объекта [3].
Помимо требований, связанных с безопасностью, можно выделить два обязательных требования, обеспечивающих правильное функционирование ДСК. Во-первых, должна быть обеспечена совместимость ДСК с контролируемым оборудованием. Это означает, что ДСК не должна повреждаться в процессе функционирования привода и оказывать мешающего влияния на работу привода и схемы управления. Выполнения данного требования можно добиться двумя путями. Первый путь - обеспечить отключение ДСК на время работы электродвигателя привода, второй - создать схему, устойчивую к воздействию рабочего напряжения и предусматривающую ограничение мощности, потребляемой от контролируемой цепи при работе электродвигателя. Во-вторых, должна
обеспечиваться работоспособность ДСК на кабельных линиях любой длины в пределах максимально допустимой для контролируемого оборудования и устойчивость ДСК к влияниям других цепей через емкость кабельной линии.
И, наконец, следует сформулировать последнее требование, которое является особенно важным для неотключаемых ДСК. Данное требование состоит в том, что ДСК не должна снижать надежность реализации основных функций контролируемого оборудования. Это означает, что отказы ДСК не должны приводить к повреждению устройств управления приводом и невозможности реализации функций электропривода как при управлении напольным оборудованием, так и при контроле его состояния. Кроме того, желательно, чтобы все элементы ДСК размещались на посту (или входили в состав постового оборудования). Иными словами, наиболее предпочтительным является использование ДСК с централизованным размещением.
Эффективным методом контроля исправности электрической цепи является измерение электрических параметров при подключении к ней источника напряжения или тока. Род напряжения (тока) зависит от особенностей конкретной цепи.
В настоящее время в СЭП при новом проектировании разрешены только трехфазные асинхронные двигатели. Исключить опасное воздействие ДСК на такой электродвигатель достаточно легко как на постоянном, так и на переменном токе. В то же время, если рабочая цепь привода совмещена с вентильной контрольной цепью, использование постоянного напряжения (тока) для работы ДСК достаточно проблематично, так как требуется решение, исключающее возможность появления в контрольной цепи постоянной составляющей, способной привести к ложному контролю. Если рабочая цепь отделена от контрольной цепи, использование постоянного напряжения (тока) можно считать наиболее предпочтительным решением, поскольку в этом случае проще обеспечить работоспособность ДСК на длинных кабельных линиях, имеющих значительную емкость.
28
Надежность, живучесть, безопасность
3 Схема контроля исправности рабочей цепи в системе МПЦ-МПК
Рассматриваемая в данной статье ДСК разработана для использования в составе аппаратуры управления электроприводами стрелок и электромеханических автостопов системы микропроцессорной централизации МПЦ-МПК. Данная ДСК позволяет обнаруживать обрывы в рабочей цепи и обмотках трехфазного асинхронного двигателя электропривода, а также выявлять разомкнутое состояние блок-контактов в приводе в промежутках времени, когда двигатель электропривода не работает. Особенностью схем управления электроприводами в системе МПЦ-МПК является то, что рабочая цепь электропривода отделена от контрольной цепи, поэтому для работы ДСК используется постоянное напряжение.
Упрощенная принципиальная схема описываемого технического решения приведена на рисунке. ДСК состоит из нескольких одинаковых узлов контроля, количество которых на единицу меньше количества проводов рабочей цепи. ДСК, разработанная для системы МПЦ-МПК, позволяет контролировать как трехпроводную, так и пятипроводную рабочую цепь и содержит четыре узла контроля. В целях упрощения показано только два узла (см. рисунок), что достаточно для контроля трехпроводной рабочей цепи. Кроме того, на рисунке не показаны элементы защиты от перенапряжений и цепи формирования опорных напряжений. Постоянное напряжение подается в контролируемую цепь через DC/DC-конвертер с гальванической развязкой, что исключает объединение рабочих цепей разных приводов через источник питания ДСК. Узлы контроля подключаются к каждому проводу рабочей цепи, кроме первого, соединенного непосредственно с плюсовым выводом DC/DC-конвертера. В случае использования схемы совместно с пятипроводной рабочей цепью плюсовой вывод конвертера подключается к проводу, имеющему постоянное соединение с обмотками двигателя для обоих направлений вращения. При исправной рабочей цепи ток от плюсового вывода конвертера протекает через все узлы контроля на минусовый
вывод конвертера. Напряжение с датчиков тока Ядт через интегрирующие цепи Яи, Си поступает на входы компараторов, выполненных на основе операционных усилителей. Напряжение, снимаемое с датчика тока, превышает опорное напряжение Цоп2, и на выходе компараторов формируется высокий потенциал. Указанный потенциал приводит к появлению тока через светодиоды оптопар VU, и транзисторы оптопар замыкают выходную цепь ДСК. Если в рабочей цепи имеется обрыв, в цепи хотя бы одного узла контроля будет отсутствовать ток, то соответствующая оптопара обеспечит разомкнутое состояние выходной цепи. Параметры компаратора определяются величиной опорного напряжения иоп2 и обеспечивают работоспособность схемы на кабельных линиях любой длины в пределах допустимой для аппаратуры управления электроприводом.
Предложенная схема контроля не отключается от рабочей цепи во время работы двигателя электропривода. Чтобы исключить перегрузку ДСК и шунтирование рабочей цепи, предусмотрена схема ограничения тока, выполненная на транзисторах VT1 и VT2. При выключенном состоянии электропривода транзистор VT1 открыт положительным потенциалом, поступающим через резистор R1. Ток в цепи определяется значением напряжения на датчике тока, при котором транзистор VT2 остается в закрытом состоянии. Если полярность напряжения в цепи при работе двигателя будет увеличивать ток, проходящий через узел контроля, напряжение на датчике тока превысит опорное напряжение иоп1, транзистор VT2 начнет открываться и шунтировать цепь затвора VT1, обеспечивая поддержание установленного значения тока через узел контроля. При воздействии напряжения противоположной полярности протекание тока через узел контроля исключается за счет наличия диодов VD.
Интегрирующие цепи Яи, Си обеспечивают устойчивое обнаружение обрывов в рабочей цепи при наличии влияния других цепей через емкость кабельной линии. За счет наличия интегрирующих цепей исключается ложное переключение компараторов под воздействием импульсов тока, вызванных данным влиянием. Параметры интегрирую-
Надежность, живучесть, безопасность
29
щих цепей оптимизируются с учетом необходимого подавления влияний частотой 50 Гц и обеспечения достаточного быстродействия схемы контроля, позволяющего обнаруживать кратковременные обрывы.
Предохранители FU исключают влияние отказов схемы контроля на работоспособность электропривода. Благодаря предохранителям не происходит шунтирования рабочей цепи при возникновении отказов схем ограничения тока. Если возникают такие от-
казы, то под воздействием рабочего напряжения электродвигателя предохранители перегорают и отключают отказавшие узлы контроля от рабочей цепи. ДСК в этом случае будет формировать сигнал о неисправности рабочей цепи. Однако в результате логической обработки указанной последовательности событий (успешный перевод стрелки и формирование сигнала о неисправности сразу после окончания перевода) можно сделать вывод о некорректной работе самой ДСК.
Диагностическая схема контроля в системе МПЦ-МПК
4 Заключение
Контроль за исправностью рабочей цепи электроприводов в системах железнодорожной автоматики позволяет эффективно и своевременно выявлять отказы, препятствующие реализации основных функций электрического привода. Принципы построения схем контроля должны соответствовать специфике контролируемого оборудования, исключать возможность опасного и мешающего воздействия на работу контролируемых устройств, а также устойчиво функционировать в условиях воздействия помех, присутствующих в кабельных линиях значительной длины.
Одним из эффективных методов контроля исправности рабочей цепи является
измерение величины тока, протекающего в цепи при подключении к ней источника постоянного напряжения. Областью применения такого метода контроля являются стрелочные и автостопные электроприводы с двигателями переменного тока, в которых рабочая цепь отделена от контрольной цепи. Предложенная схема контроля исправности рабочей цепи электропривода предназначена для использования в трех- и пятипроводных рабочих цепях электроприводов. Данная схема реализована в составе модулей управления электроприводами системы МПЦ-МПК. Выходная цепь схемы контроля передает информацию о состоянии рабочей цепи стрелочного электропривода или электропривода электромеханического автостопа в
30
Надежность, живучесть, безопасность
управляющий вычислительный комплекс системы МПЦ-МПК, обеспечивая необходимую полноту диагностирования аппаратуры управления стрелками и автостопами, кабельной сети, электрических соединений и контактов, имеющихся в рабочей цепи, а также обмоток электродвигателя. Работоспособность предложенного технического решения и его соответствие перечисленным выше требованиям подтверждаются результатами испытаний.
Библиографический список
1. Переборов, А. С. Телеуправление стрелками и сигналами : учебник для вузов ж.-д. трансп. /
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. -Москва : Транспорт, 1981. - 390 с.
2. Сапожников, Вл. В. и др. Микропроцессорные системы централизации : учебник для техникумов и колледжей железнодорожного транспорта; под ред. Вл. В. Сапожникова. -Москва : ГОУ «Учебно-методический центр по образованию на железнодорожном транспорте», 2008. - 398 с. - ISBN 978-5-89035-525-6.
3. Сапожников, В. В. Безопасность железнодорожной автоматики и телемеханики. Термины и определения / В. В. Сапожников, Вл. В. Сапожников, В. И. Талалаев и др. // Автоматика, телемеханика и связь. - 1992. - № 4. - С. 30-32.
