Пристрій регулювання і управління пересувними електроагрегатами

Реферат: Пристрій регулювання і управління пересувними електроагрегатами, який містить блок управління акумуляторної батареї з вхідними ШІМ-контролером і транзисторним n-р-n вихідним ключем, блок регулювання електрогенератора з вхідними підсилювачем сигналу помилки та RC-контуром зворотного зв'язку, формувачем сумарного сигналу, що містить підсилювач струму генератора, до позитивного виходу вихідної напруги електрогенератора підключені вхід вторинного джерела живлення. Позитивний вихід вихідної напруги генератора підключений до входу Uг блока регулювання генератора, в який додатково введені триканальний компаратор і індикатор контролю, підключений до виходу підсилювача сигналу помилки, вихід формувача сумарного сигналу і вхід Uг блока регулювання генератора підключені до інвертуючих входів компараторів першого і другого каналів з уставками відповідно +U1 +U2 на неінвертуючих входах, вихід підсилювача струму генератора ПідІг підключений до неінвертуючого входу компаратора третього каналу з уставкою +U3 на інвертуючому вході, при цьому всі три виходи компараторів об'єднані за схемою АБО і підключені до виходу підсилювача сигналу помилки. UA 93259 U (12) UA 93259 U UA 93259 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 Корисна модель належить до електротехніки і може бути використана в системах автономного електропостачання рухомих об'єктів, зокрема, для регулювання підвагонних електрогенераторів самозбудження та управління струмом і напругою заряду буферних акумуляторних батарей. Відомо, що найбільш близьким за технічною суттю є пристрій регулювання електрогенератора самозбудження та управління струмом і напругою заряду буферної акумуляторної батареї, взятий за прототип (див. блоки EGR-51 і EGS-61 схеми електричні відповідно 2471.051-974:61/9 і 2471.061-947:61/9 пристрою регулювання та керування систем автономного електропостачання ДУГГ28Б, технічний опис 2470.072-971:61/9, FAGA, Берлін, 1993р.), який містить силовий блок, вторинне джерело живлення (ВДЖ), електрогенератор, акумуляторну батарею (АкБ), блок EGR з вбудованим багатофункціональним ШІМ-контролером і транзисторним n-p-η вихідним ключем, блок EGS з вбудованим багатофункціональним ШІМконтролером з підсилювачем сигналу помилки та RC-контуром зворотного зв'язку, формувачем сумарного сигналу, що містить підсилювач струму електрогенератора, вихід формувача сумарного сигналу з'єднаний з інвертуючим входом підсилювача сигналу помилки, на неінвертуючий вхід якого подається позитивна уставка, до позитивного виходу вихідної напруги електрогенератора підключені вхід вторинного джерела живлення, вхід живлення силового блока, позитивний полюс акумуляторної батареї і входи Uб, Uг блока EGR. До негативного виходу вихідної напруги електрогенератора підключений датчик струму, вихід якого з'єднаний з входом Іг блока EGS. До негативного полюса акумуляторної батареї підключений датчик струму, вихід якого з'єднаний з входом 16 блока EGR. Силовий блок навантажений на послідовно з'єднані обмотку збудження електрогенератора і датчик струму збудження, виходи яких підключені відповідно до входів Uз, Із блока EGS і до формувача сумарного сигналу. Вихід ВДЖ з'єднаний з входами живлення блоків EGR і EGS. Колектор транзистора n-р-n вихідного ключа блока EGR підключений до входу управління силового блока. Вихід підсилювача сигналу помилки ШІМ-контролера блока EGS з'єднаний з входом Мод. блока EGR. Виходи формувача сумарного сигналу і вхідного підсилювача струму генератора блока EGS підключені відповідно до входів ΣU, ПідІг блока EGR та до входів компараторів, вбудованих в ШІМ-контролер блока. У відомому пристрої блок EGS забезпечує регулювання заданого значення струму генератора (Іг), напруги і струму збудження, а також регулювання струму генератора в залежності від струму збудження (Із) та температури обмотки збудження. Блок EGR здійснює регулювання струму і напруги заряду акумуляторної батареї (Iб,Uб), забезпечує захист батареї від перезаряду, запобігає перенапрузі генератора, акумуляторної батареї, припиняє роботу і роззбуджує генератор при перенапруженні ΣU формувача сумарного сигналу блока EGS і при заниженому значенні струму генератора ПідІг. Недоліком відомого пристрою є те, що елементи схеми регулювання та захисту електрогенератора розосереджені, розміщені в двох конструктивно окремих блоках EGR і EGS, з-за чого збільшується кількість міжблокових зв'язків, ускладнюється діагностика, оскільки при виникненні несправності практично неможливо однозначно локалізувати місце відмови і доводиться бракувати відразу обидва блоки. При цьому підвищується вартість експлуатаційного обслуговування, оскільки для повторної перепровірки і подальшого ремонту зазначених блоків потрібний висококваліфікований технічний персонал і значний час. Крім того, недоліком є застосування в якості ШІМ-контролерів в блоках EGR, EGS, багатофункціональних (багатовивідних) ІМС. Так в ШІМ-контролері блока EGS незадіяний цілий ряд вбудованих вузлів (див. вільні виходи 5…11,13,16 ІМС). Такий необгрунтований надлишок апаратних ресурсів підвищує вартість пристрою і знижує його надійність. Структура ШІМ-контролера блока EGR ускладнена в тому числі і за рахунок того, що ця ІМС містить вбудовані компаратори, які мають низькі пороги спрацьовування і, отже, мають низьку перешкодостійкість. До того ж, порівняно великі вхідні струми цих компараторів роблять неприйнятним їх використання в ланцюгах точного регулювання, що нами показано на прикладі реалізації захисту при перенапруженні формувача сумарного сигналу (ΣU) в заявці № U 2013 13990 від 02.12.2013. "Пристрій захисту електрогенератора самозбудження". В основу корисної моделі поставлена задача оптимізації структури блоків пристрою, підвищення надійності, зниження вартості виробництва, спрощення і здешевлення експлуатаційного обслуговування. Поставлена задача вирішується тим, що в пристрій регулювання і управління пересувними електроагрегатами, який містить блок управління акумуляторної батареї з вхідними ШІМконтролером і транзисторним n-p-η вихідним ключем, блок регулювання електрогенератора з вхідними підсилювачем сигналу помилки та RC-контуром зворотного зв'язку, формувачем 1 UA 93259 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 сумарного сигналу, що містить підсилювач струму генератора, до позитивного виходу вихідної напруги електрогенератора підключені вхід вторинного джерела живлення, вхід живлення силового блока, позитивний полюс акумуляторної батареї і вхід Uб блока управління батареї, до негативного виходу вихідної напруги генератора підключений датчик струму, його вихід з'єднаний з входом Іг блока регулювання генератора і входом підсилювача струму генератора, вихід формувача сумарного сигналу підключений до інвертуючого входу підсилювача сигналу помилки, неінвертуючий вхід цього підсилювача внутрішньо зміщений до позитивного рівня, до негативного полюса акумуляторної батареї підключений датчик струму, його вихід з'єднаний з входом Іб блока управління батареї, до виходу силового блока підключені послідовно з'єднані обмотка збудження генератора і датчик струму збудження, їх виходи з'єднані відповідно з входами Uз та Із блока регулювання генератора і входами формувача сумарного сигналу, вихід вторинного джерела живлення підключений до входів живлення блока регулювання генератора і блока управління батареї, колектор транзисторного n-p-η вихідного ключа, що входить в цей блок, з'єднаний з входом керування силового блока, вихід підсилювача сигналу помилки блока регулювання генератора підключений до входу Мод. блока управління батареї, згідно з корисною моделлю позитивний вихід вихідної напруги генератора підключений до входу Uг блока регулювання генератора, в який додатково введені триканальний компаратор і індикатор контролю, підключений до виходу підсилювача сигналу помилки, вихід формувача сумарного сигналу і вхід Uг блока регулювання генератора підключені до інвертуючих входів компараторів першого і другого каналів з уставками відповідно +U1+U2 на неінвертуючих входах, вихід підсилювача струму генератора ПідІг підключений до неінвертуючого входу компаратора третього каналу з уставкою +U3 на інвертуючому вході, при цьому всі три виходи компараторів об'єднані за схемою АБО і підключені до виходу підсилювача сигналу помилки. Суть пропозиції пояснюється кресленням, де представлена функціональна блок-схема запропонованого пристрою. Запропонований пристрій містить блок управління акумуляторної батареї 1 з вбудованим ШІМ-компаратором 2 і транзисторним n-р-n вихідним ключем 3, блок регулювання генератора 4 з вбудованими підсилювачем сигналу помилки 7 з RC-контуром зворотного зв'язку і формувачем сумарного сигналу 5, що містить підсилювач струму генератора 6, а також містить триканальний компаратор 8, індикатор контролю 9. Крім того, в пристрій входять електрогенератор самозбудження 10, датчик струму генератора (Іг) 11, акумуляторна батарея 12, датчик струму батареї (16) 13, вторинне джерело живлення 14, силовий блок 15 з підключеними до його виходу послідовно з'єднані обмотка збудження генератора 16 і датчик струму збудження 17. До позитивного виходу вихідної напруги генератора 10 підключені вхід вторинного джерела живлення 14, вхід живлення силового блока 15, позитивний полюс акумуляторної батарей 12, вхід Uб блока управління батареї 1 і вхід Ur блока регулювання генератора 4. До негативного виходу вихідної напруги генератора 10 підключений датчик струму генератора 11, вихід якого з'єднаний з входом Іг блока регулювання генератора 4. До негативного полюса акумуляторної батареї 12 підключений датчик струму батареї 13, вихід якого з'єднаний з входом 16 блока управління батареї 1. Виходи обмотки збудження генератора 16 і датчика струму збудження 17 підключені відповідно до входів Uз та Із блока регулювання генератора 4. Вихід ΣU формувача сумарного сигналу блока 5 з'єднаний з інвертуючим входом підсилювача сигналу помилки 7 і інвертуючим входом компаратора 8 першого каналу з уставкою +U1 на неінвертуючому вході. До виходу підсилювача сигналу помилки блока регулювання генератора 4 підключений індикатор контролю 9 і вхід Мод. блока управління батареї 1. Вихід вторинного джерела живлення 14 підключений до входів живлення блока управління батареї 1 і блока регулювання генератора4. Колектор транзистора n-р-n вихідного ключа 3 блока управління батареї 1 підключений до входу управління силового блока 15. Вхід Uг блока регулювання генератора 4 підключений до інвертуючого входу компаратора другого каналу з уставкою +U2 на неінвертуючому вході. Вихід ПідІг підсилювача струму генератора 6, що входить у формувач сумарного сигнала5 блока регулювання генератора4, підключений до неінвертуючого входу компаратора третього каналу з уставкою +U3 на інвертуючому вході. Виходи трьохканального компаратора 8 об'єднані за схемою АБО і підключені до виходу підсилювача сигналу помилки 7. Пристрій регулювання і управління пересувними электроагрегатами працює наступним чином. У процесі пуску і розгону генератора 10 його вихідна напруга збільшується від початкового значення, обумовленого залишковим намагнічуванням магнітної системи до номінального, при якому включається силовий блок 15, дозаряджається акумуляторна батарея 12, включається вторинне джерело живлення 14. При цьому з виходу блока 14 підводиться 2 UA 93259 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 позитивна напруга живлення до блока управління батареї 1 і колектора транзистора вихідного ключа 3, до блока регулювання та захисту генератора4 і входу індикатора контролю 9. Регульовані величини: струм і напруга батареї (Iб, Uб), струм і напруга генератора (Iг, Uг), струм і напруга збудження (Із, Uз) заміряються вимірювальними ланками відповідно 13, 11, 17, 16, порівнюються з заданими значеннями, обробляються регулюючими підсилювачами типу 6, 7 і підводяться до ШІМ2. Вихідна напруга того підсилювача, виміряне значення якого максимально перевищує задане значення, порівнюється з пилкоподібною напругою на вході ШІМ2 і перетворюється в прямокутні сигнали, частота проходження яких постійна, а змінюється тривалість імпульсів. Причому коефіцієнт заповнення відповідає напрузі регулюючого підсилювача. Ці імпульси з виходу транзисторного ключа 3 керують силовим блоком 15. За рахунок позитивної уставки на неінвертуючому вході підсилювача сигналу помилки 7 на виході цього підсилювача і відповідно на модулюючому вході ШІМ2 встановлюється позитивний потенціал, при якому тривалість імпульсів з виходу ШІМ2 максимальна й не змінюється. Ці тактові імпульси комутують ключ силового блока 15, в результаті чого на обмотці збудження 16, датчиків струму збудження 17 і генератора 11 з'являються імпульси напруги, тривалість яких повторює тривалість тактових імпульсів. Падіння напруги від протікаючого струму через силовий ключ 15 з виходу обмотки збудження 16, датчиків струму збудження 17 і генератора 11 підводяться до формувача сумарного сигнала 5, а утворена напруга на його виході надходить на інвертуючий вхід підсилювача помилки 7, де порівнюється з заданим внутрішнім значенням позитивної уставки на неінвертуючому вході підсилювача. Співвідношення сигналів на вході блока 5 визначає стан його виходу і в цілому режим роботи генератора. Так якщо сумарна напруга на виході блока 5 досягає або перевищує величину заданої уставки на вході підсилювача сигналу помилки 7 з пропорційно-інтегральною характеристикою (RС ланцюг зворотного зв'язку), то на виході цього підсилювача і відповідно на модулюючому вході ШІМ2 плавно зменшується рівень позитивної напруги, переходячи в нуль, засвічується індикатор 9. Цей низький потенціал активізує ШІМ2, завдяки чому тривалість вихідних імпульсів зменшується, відповідно зменшується і тривалість імпульсів збудження практично до нуля. У цьому випадку електрогенератор 10 розбуджується, напруга на його виході зменшується, зменшується струм через датчики струму збудження 17 і генератора 11, зменшується напруга на вході підсилювача сигналу помилки 7. Відбувається обмеження параметрів регулювання генератора 10, про що свідчить світіння індикатора 9. Потім, оскільки неінвертуючий вхід підсилювача сигналу помилки 7 внутрішньо зміщений до високого рівня, то плавно встановлюється позитивна напруга на його виході і модулюючому вході ШІМ2, а тривалість імпульсів з виходу ШІМ починає збільшуватися, можливо до Тімп. макс. Перестає світитися індикатор 9. Відбувається дорозгін генератора 10 і режим автоматичного регулювання може багаторазово повторюватися. Кожен раз при перевищенні одним із струмів Із, Іг або напруги U3 заданих уставок, коли від сумарної напруги на виході блока 5 спрацьовує підсилювач сигналу помилки 7 здійснюється або абсолютне обмеження генераторного струму або обмеження струму збудження, обмеження генераторного струму в залежності від температури обмотки збудження або обмеження обертаючого моменту генератора. При цьому світиться індикатор 9, що свідчить про норму тракту регулювання параметрів генератора в даному режимі роботи. В процесі дозаряду батареї 12 при перевищенні виміряних значень падіння напруги на шунті 13 або промасштабованої напруги з виходу батареї Uб відповідних уставок на входах ШІМ2 встановлюється низький рівень сигналу і аналогічно вищеописаному здійснюється роззбудження генератора 10 і тим самим зменшення струму (16) і напруги (Uб) заряду буферної акумуляторної батареї. Захист генератора 10 у разі відмови основного каналу регулювання в блоці 4 з підсилювачем сигналу помилки 7 при перенапруженні сумарного сигналу з виходу блока 5 (ΣU) забезпечується першим каналом компаратора 8. При перевищенні сигналу ΣU рівня уставки +U1 спрацьовує компаратор і на його виході встановлюється низький потенціал, що призводить до роззбудження генератора. З допомогою другого та третього каналів компаратора 8 здійснюється захист генератора 10 відповідно при перенапруженні генератора Uг і при заниженому значенні струму ПідІг з виходу підсилювача 6. Так, коли рівень промасштабованої напруги Uг стане більше уставки +U2 або при зниженні сигналу ПідІг нижче рівня уставки +U3 спрацьовує відповідний компаратор і низький рівень сигналу з виходу встановлюється на модулюючому вході ШІМ2, що призводить до роззбудження генератора і сигналізується індикатором 9. Таким чином запропонована на кресленні блок-схема пристрою забезпечує: - регулювання струму і напруги заряду буферної акумуляторної батареї 12; - регулювання струму генератора Іг, струму і напруги збудження (Із, Uз), обертаючого моменту генератора 10; 3 UA 93259 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 - захист генератора при перегріві обмотки збудження і при заниженому значенні струму генератора (ПідІг), а також при перенапруженні (Uг) і ΣU 3 виходу блока 5 у разі відмови основного каналу регулювання струмів Іг, Із і напруги Uз в блоці 4. Оскільки компонування блоків 1, 4 пристрою реалізовано з дотриманням принципу функціональної доцільності, коли блоки не тільки конструктивно, але і функціонально самостійні і при цьому контролюється стан виходу блока 4 додатковим індикатором 9, то в експлуатації спрощується обслуговування, так як можна однозначно локалізувати місце несправності з точністю до блока, а в деяких випадках і до вузла в блоці. За рахунок швидкого відшукування та усунення несправностей підвищується експлуатаційна надійність, зменшуються витрати на відновлення працездатного стану пристрою. Скорочення кількості ланцюгів міжблокових зв'язків до одного також сприяє підвищенню експлуатаційної надійності. Крім того, замість багатофункціональних (багатовивідних) ШІМ-контролерів у блоках EGR, EGS прототипу в пропонованому пристрої застосовуються відповідно найпростіший 8-вивідний ШІМ-контролер (ШІМ-компаратор) у блоці 1 і підсилювач сигналу помилки в блоці 4. При цьому спрощується внутрішня структура блоків 1, 4 які містять тільки функціонально необхідні вузли. Введення в блок 4 додаткових компаратора 8, індикатора 9 не збільшує вартість конструкції у виробництві, але зменшує вартість експлуатації. Використовуваний в блоці регулювання генератора простий, дешевий триканальний компаратор загального застосування дозволяє встановлювати рівень порогів спрацьовування близький до напруги живлення. Завадостійкість цих компараторів більше ніж на порядок вища завадостійкості компараторів в ШІМ-контролері прототипу. При цьому, маючи наднизькі (кілька пікоампер) вхідні струми, ці компаратори практично не шунтують попередні каскади. ФОРМУЛА КОРИСНОЇ МОДЕЛІ Пристрій регулювання і управління пересувними електроагрегатами, який містить блок управління акумуляторної батареї з вхідними ШІМ-контролером і транзисторним n-р-n вихідним ключем, блок регулювання електрогенератора з вхідними підсилювачем сигналу помилки та RC-контуром зворотного зв'язку, формувачем сумарного сигналу, що містить підсилювач струму генератора, до позитивного виходу вихідної напруги електрогенератора підключені вхід вторинного джерела живлення, вхід живлення силового блока, позитивний полюс акумуляторної батареї і вхід Uб блока управління батареї, до негативного виходу вихідної напруги генератора підключений датчик струму, його вихід з'єднаний з входом Іг блока регулювання генератора і входом підсилювача струму генератора, вихід формувача сумарного сигналу підключений до інвертуючого входу підсилювача сигналу помилки, неінвертуючий вхід цього підсилювача внутрішньо зміщений до позитивного рівня, до негативного полюса акумуляторної батареї підключений датчик струму, його вихід з'єднаний з входом 16 блока управління батареї, до виходу силового блока підключені послідовно з'єднані обмотка збудження генератора і датчик струму збудження, їх виходи з'єднані відповідно з входами Uз та Із блока регулювання генератора і входами формувача сумарного сигналу, вихід вторинного джерела живлення підключений до входів живлення блока регулювання генератора і блока управління батареї, колектор транзисторного n-р-n вихідного ключа, що входить в цей блок, з'єднаний з входом керування силового блока, вихід підсилювача сигналу помилки блока регулювання генератора підключений до входу Мод. блока управління батареї, який відрізняється тим, що позитивний вихід вихідної напруги генератора підключений до входу Uг блока регулювання генератора, в який додатково введені триканальний компаратор і індикатор контролю, підключений до виходу підсилювача сигналу помилки, вихід формувача сумарного сигналу і вхід Uг блока регулювання генератора підключені до інвертуючих входів компараторів першого і другого каналів з уставками відповідно +U1 +U2 на неінвертуючих входах, вихід підсилювача струму генератора ПідІг підключений до неінвертуючого входу компаратора третього каналу з уставкою +U3 на інвертуючому вході, при цьому всі три виходи компараторів об'єднані за схемою АБО і підключені до виходу підсилювача сигналу помилки. 4 UA 93259 U Комп’ютерна верстка Л. Литвиненко Державна служба інтелектуальної власності України, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601 5