устройство для контроля электроаппаратов трамвая и троллейбуса

Формула изобретения

1. Устройство для контроля электроаппаратов трамвая и троллейбуса, содержащее блок питания с выключателем, соединенный по первому выходу с силовым входом сильноточного блока, содержащего выпрямитель, последовательно соединенные дроссель и шунт, первый выход сильноточного блока подключен к токовой обмотке проверяемого аппарата, шунт подключен также ко второму выходу блока, соединенному с информационным входом измерителя тока, а второй выход блока питания подключен к силовому входу высоковольтного блока, выход которого соединен с информационным входом измерителя напряжения и с обмоткой напряжения проверяемого аппарата, кроме того, имеются элементы управления, образующие блок управления, первый и второй выходы которого соединены с управляющими входами соответственно высоковольтного и сильноточного блоков, а первый и второй входы соединены с выводами контактов испытуемых аппаратов, отличающееся тем, что в сильноточном блоке выходы выпрямителя нагружены на цепь, содержащую последовательно соединенные первый ключ, дроссель, шунт и токовую обмотку проверяемого аппарата, а между общей точкой дросселя и первого ключа и общим выходом выпрямителя подключен второй ключ, управляющий вход первого ключа соединен с выходом широтно-импульсного модулятора (ШИМ) и входом инвертора, а управляющий вход второго ключа соединен с выходом инвертора, при этом модулирующий вход ШИМ соединен с выходом суммирующего усилителя, первый вход которого через согласующий усилитель и развязывающий элемент соединен с выходом выпрямителя, а второй вход суммирующего усилителя соединен с выходом ждущего генератора, вход которого соединен с управляющим входом сильноточного блока, а вход запуска ШИМ соединен с выходом тактового генератора, кроме того, измерители тока и напряжения имеют первый и второй каналы каждый, причем в каждом канале на входе включены схемы выборки-хранения, информационные входы которых соединены с информационными входами измерителей, а управляющие входы схем выборки-хранения в первых каналах обоих измерителей соединены с первыми управляющими входами измерителей, а во вторых каналах - со вторыми управляющими входами измерителей, первые же управляющие входы измерителей соединены между собою и с третьим выходом блока управления, а вторые управляющие входы измерителей также соединены между собою и с четвертым выходом блока управления, при этом в каждом канале выход схемы выборки-хранения через аналого-цифровой преобразователь соединен с соответствующим индикатором, при этом все элементы устройства по входу питания соединены с выходом блока питания.

2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что блок управления содержит формирователь, первую и вторую схемы И, схему ИЛИ, первый и второй триггеры, инвертор и первый и второй выключатели, реле, кнопки "Пуск" и "Сброс", причем первый полюс первого выключателя соединен с первым выходом блока, а первый полюс второго - с обмоткой реле, контакты которого соединены со вторым выходом блока, а вторые полюса выключателей соединены с первым выходом формирователя, вход которого соединен с кнопкой "Пуск", а второй выход - с первым входом первой схемы И и входом инвертора, выход которого соединен с первым входом второй схемы И, вторые входы схем И соединены с выходом схемы ИЛИ, входы которой соединены с первым и вторым входами блока, а выходы первой и второй схем И подключены к установочным входам первого и второго триггеров соответственно, выходы которых соединены соответственно с третьим и четвертым выходами блока, а входы сброса триггеров объединены и подключены к кнопке "Сброс".

Описание изобретения к патенту

Устройство относится к области электрических измерений и контроля электрических величин, в частности напряжения и тока срабатывания и отпускания реле постоянного тока. Может быть применено при изготовлении, ремонте и контроле электроаппаратов защиты и управления трамваев и троллейбусов.

Известен стенд для испытания электрических аппаратов трамваев и троллейбусов (Рекламный листок Воронежского опытно-механического завода. Россия, 394055, Воронеж, ул. 121 Стрелковой дивизии, 9, тел./факс (0732) 36-48-75, от 02.07.2002 г.). Стенд содержит пускатель, выключатель-автомат, амперметр, вольтметр, ручные регуляторы тока и напряжения (ЛАТРы - лабораторные автотрансформаторы), сигнальные лампы.

Недостатком стенда, по мнению авторов, является большая погрешность определения тока и напряжения срабатывания или отпускания реле, вызванная тем, что ток и напряжение на испытуемом аппарате изменяют ручным способом, поворачивая движок ЛАТРа, а это не обеспечивает плавность и монотонность изменения параметров. К тому же напряжение или ток срабатывания аппарата оператор наблюдает на стрелочном измерителе (амперметре, вольтметре), который имеет существенную инерционность.

При регулировке аппаратов процесс наблюдения за током (напряжением) срабатывания приходится повторять несколько раз, а при ручном способе изменения тока (напряжения) это требует значительных затрат времени. Низкая производительность испытания аппаратов является также недостатком известного стенда.

Известен стенд для испытания электроаппаратов трамвая и троллейбуса, разработанный Академией коммунального хозяйства им. К.Д.Памфилова и выпускаемый Невинномысским электромеханическим заводом (см. ТУ204 РСФСР 2.151-87. Стенд для испытания электроаппаратов трамвая и троллейбуса 0-267. Технические условия. Техническое описание.). Этот стенд, выбранный в качестве прототипа, содержит блок питания, блок для испытания высоковольтных реле, блок для испытания сильноточных аппаратов, измерители тока и напряжения в виде стрелочных приборов, кнопки управления, сигнальные лампы, образующие блок управления. Этот стенд имеет недостатки, присущие вышеописанному стенду, так как изменение тока (напряжения) также производится оператором путем поворота ручек регуляторов и результаты испытания наблюдаются на стрелочных приборах.

Для уменьшения погрешности измерения тока и напряжения срабатывания (отпускания) аппаратов, а также для уменьшения времени, затрачиваемого на контроль аппаратов, в известном устройстве в сильноточном блоке между выходом выпрямителя и дросселем последовательно включен первый силовой ключ, а между общей точкой первого ключа и дросселя и общим выводом выпрямителя включен второй силовой ключ. Управляющий вход первого ключа соединен с выходом широтно-импульсного модулятора (ШИМ) и входом инвертора, а управляющий вход второго ключа соединен с выходом инвертора. Модулирующий вход ШИМ соединен с выходом суммирующего усилителя, первый вход которого через согласующий усилитель и развязывающий элемент, например конденсатор, соединен с выходом выпрямителя, а второй вход суммирующего усилителя соединен с выходом ждущего генератора. Вход генератора подключен к управляющему входу сильноточного блока, вход запуска ШИМ соединен с выходом тактового генератора. Такое исполнение сильноточного блока позволяет в широком диапазоне плавно изменять ток в обмотке испытуемого аппарата в автоматическом режиме.

Предлагаемое решение позволяет уменьшить пульсации тока 3-фазного двухпериодного выпрямителя на обмотке аппарата за счет следящего управления длительностью импульсов тока через силовые ключи.

Измерители тока и напряжения имеют первый и второй каналы каждый, причем в каждом канале на входе включены схемы выборки-хранения, информационные входы которых соединены с информационными входами измерителей, а управляющие входы схем выборки-хранения в первых каналах обоих измерителей соединены с первыми управляющими входами измерителей, а во вторых каналах - со вторыми управляющими входами измерителей, первые же управляющие входы измерителей соединены между собой и с третьим выходом блока управления, а вторые управляющие входы измерителей также соединены между собой и с четвертым выходом блока управления. В каждом канале выход схемы выборки-хранения через аналого-цифровой преобразователь соединен с соответствующим индикатором.

Все элементы устройства по входу питания соединены с выходом блока питания. Такое исполнение позволяет при параллельно-последовательном цикле контроля, когда ток и напряжение изменяются одновременно в токовой обмотке и обмотке напряжения, автоматически с минимальной погрешностью измерять и запоминать сначала напряжение и ток, при которых произошло срабатывание аппарата, не останавливая процесс изменения тока и напряжения, а затем измерять и запоминать напряжение и ток отпускания контактов аппарата.

Таким образом, в общем случае в конце цикла испытания на индикаторах отображаются ток и напряжение срабатывания контактов, а также ток и напряжение отпускания контактов.

Это достигается и за счет того, что блок управления содержит формирователь, схему ИЛИ, две схемы И, первый и второй триггеры, инвертор, первый и второй выключатели, первый полюс первого выключателя соединен с первым выходом блока, а первый полюс второго - с обмоткой реле, контакты которого соединены со вторым выходом блока, вторые полюса выключателей соединены с первым выходом формирователя, вход которого соединен с кнопкой “пуск”, а второй выход - с первым входом первой схемы И и входом инвертора, выход которого соединен с первым входом второй схемы И, а вторые входы схем И соединены с выходом схемы ИЛИ, входы которой соединены с первым и вторым входами блока, выходы же первой и второй схем И соединены соответственно со входами установки в “1” первого и второго триггеров, входы сброса триггеров соединены с кнопкой “сброс”, выходы триггеров соединены с третьим и четвертым выходами блока.

На фиг.1 представлена блок-схема предлагаемого устройства, на фиг.2 - блок-схема блока управления, на фиг.3, 4 приведены сигналы в зависимости от времени в характерных точках устройства.

Ниже описано в качестве примера реализации устройство для контроля электроаппаратов троллейбуса, таких как реле токовое РЭВ-571, реле минимального тока РЭВ-830, автоматический выключатель АВ-8А-1, реле напряжения РЭВ-827, реле ускорения Р-52Б-3, которые описаны в книге Вишник Г.В. Троллейбус пассажирский ЗиУ 682Б, М., Транспорт, 1977 г., стр.118-122, 139, 199.

Устройство (фиг.1) содержит блок 1 питания (БП), который посредством выключателя В1 подключен к 3-фазной промышленной сети питания.

В БП имеются источник постоянного напряжения V_П питания электронных элементов всего устройства, а также мощный понижающий трансформатор, соединенный по выходу с выходом 1 БП. Выход 1 соединен со входом сильноточного блока 2, содержащего 3-фазный двухполупериодный выпрямитель 3 со сравнительно небольшим выходным напряжением, например 5 В, но рассчитанный на большой ток, например до 1000 А.

Выходы 4₁, 4₂ выпрямителя нагружены на цепь, содержащую последовательно соединенные ключ 5, дроссель 6, шунт 7, токовую обмотку 8 контролируемого аппарата 9. Между общей точкой ключа 5 и дросселя 6 и выходом 4₂ установлен ключ 10.

К выходу 2 БП подключен силовой вход высоковольтного блока 11, содержащего регулятор 12 переменного напряжения, на выходе которого подключен блок 13, содержащий выпрямитель и фильтр.

В качестве блока 12 может быть использован регулятор, позволяющий по команде плавно увеличивать переменное напряжение, а затем уменьшать (подобный регулятор описан в а.с. №741389, М. кл. Н 02 М 5/12).

К выходу блока 11 подключают обмотку 14 проверяемого аппарата 15, который имеет контакты 16 (замыкающий и размыкающий). Подобные контакты 17 имеет и проверяемый токовый аппарат 9.

Имеется блок 18 управления (БУ), который содержит (фиг.1, 2) формирователь 19, инвертор 20, схемы первую 21 и вторую 22 И, первый 23 и второй 24 выключатели, реле К24, схему 25 ИЛИ, первый 26 и второй 27 триггеры, выходы которых соединены соответственно с выходами “вых 3”, “вых 4” БУ.

Первый вход схемы 21 И соединен со вторым выходом формирователя 19 и входом инвертора 20, выход которого соединен с первым входом схемы 22 И.

Вторые входа схем И соединены с выходом схемы 25 ИЛИ, входы ее соединены со входами “вх 1”, “вх 2” БУ. Первый выход формирователя соединен с первыми полюсами выключателей 23, 24, вторые полюса которых соединены соответственно с выходом “вых 1” БУ и обмоткой реле 24К. Вход формирователя 19 соединен с кнопкой 28 “пуск”. Выходы схем 21, 22 И соединены с установочными входами соответственно первого 26 и второго 27 триггеров, выходы которых соединены соответственно с выходами “вых 3”, “вых 4” БУ. Входы сброса триггеров 26, 27 соединены с кнопкой 29 “сброс”. Контакты реле 24К соединены с выходом “вых 2” БУ.

В составе устройства имеются измерители тока 30 и напряжения 31, каждый из них содержит по два канала: канал измерения и запоминания тока (напряжения) срабатывания и канал измерения и запоминания тока (напряжения) отпускания аппаратов. При этом каждый канал содержит соответственно схемы 32, 33, 34, 35 выборки-хранения (подобные схемы описаны в книге Л.Фолкенберри. “Применение операционных усилителей и линейных ИС”. М. МИР, 1995 г., стр.237-241), аналого-цифровые преобразователи (АЦП) 36, 37, 38, 39, индикаторы 40, 41, 42, 43. Информационные входы схем 34, 35 измерителя напряжения соединены с выходом блока 11, а информационные входы схем 32, 33 измерителя тока подключены параллельно шунту 7. Управляющие входы схем 35, 33, предназначенных для измерения и запоминания напряжения и тока срабатывания, соединены между собой и выходом “вых 3” БУ, управляющие входы схем 34, 32, предназначенных для запоминания напряжения и тока отпускания, соединены между собой и выходом “вых 4” БУ. Выходы схем 32, 33, 34, 35 соединены со входами АЦП 36, 37, 38, 39 соответственно, а выходы последних соединены соответственно со входами индикаторов 40, 41, 42, 43.

Управляющий вход ключа 5 соединен с выходом широтно-импульсного модулятора (ШИМ) 44 и входом инвертора 45, а управляющий вход ключа 10 - с выходом инвертора 45, вход запуска ШИМ соединен с выходом тактового генератора 46, а модулирующий вход - с выходом суммирующего усилителя 47, первый вход которого соединен с выходом согласующего усилителя 48, вход усилителя соединен с выходом 4_i выпрямителя 3 через развязывающий элемент, например конденсатор 49. Второй же вход усилителя 47 соединен с выходом ждущего генератора 50, вход управления которого подключен к выходу “вых 2” БУ.

Перед началом контроля, если проверяемый аппарат - реле напряжения, его обмотку 14 подключают к клеммам 51₁, 51₂, предназначенным для подачи постоянного медленно изменяющегося по величине напряжения, а выводы одного из контактов 16 - ко входу “вх 1” БУ.

Если контролируемый аппарат - токовое реле 9, то его обмотку 8 (ее сопротивление существенно меньше 1 Ома) через силовые клеммы 52₁, 52₂ включают в цепь источника большого тока на элементах 3, 5, 6, 7, 10, а выводы одного из контактов 17 - ко входу “вх 2” БУ.

Затем в БУ 18 замыкают выключатель 23, связанный с сильноточным блоком 2, если контролируемый аппарат - токовое реле, или выключатель 24, если контролируемый аппарат - реле напряжения, или оба, если контролируемый аппарат - реле с двумя обмотками: токовой и напряжения. В последнем случае токовая обмотка аппарата подключается к клеммам 52₁, 52 ₂, обмотка напряжения - к клеммам 51₁, 51 ₂, а контакт реле подключается к входу 1 или 2 БУ.

Рассмотрим сначала случай контроля токового реле. Замыкают выключатель 23. После подключения реле к устройству включают выключатель В1. Через некоторое время, необходимое для окончания переходных процессов в элементах устройства, нажимают кнопку 29 “сброс”. На выходе триггеров 26, 27 устанавливаются низкие уровни напряжения, что соответствует установлению схем 32...35 выборки-хранения в состояние слежения за входным сигналом, поступающим на информационные входы. Затем нажимают кнопку 28 “пуск” (фиг.2, 3). Формирователь 19 по переднему фронту сигнала “пуск” вырабатывает импульс длительностью t_и.

t_и=t_н+t_в , где

t_н - время нарастания тока на выходах 52₁, 52₂ (или нарастания напряжения на выходах 51₁, 51₂);

t_в - время выдержки контролируемого аппарата под максимальным током (напряжением).

Время t_н, также как и t_с - время спада тока (напряжения) от максимального до 0, выбирают из соображений получения приемлемых значений времени испытания и составляющей погрешности, обусловленной соотношением инерционности проверяемых аппаратов, задержек в измерителях и скорости нарастания (спада) испытательного тока (напряжения). Практически для упомянутых выше аппаратов троллейбуса приемлемым является t_н t_с 20 сек.

В течение t_н генератор 50 вырабатывает нарастающий фронт, который поступает на “вход 2” суммирующего усилителя 47, на вход 1 усилителя поступает сигнал с выхода усилителя 48. Этот сигнал “вых 48” представляет собой инвертированную переменную составляющую (пульсацию в виде 6-й гармоники для 3-фазного 2-полупериодного выпрямителя по отношению к сети) тока на выходе выпрямителя. На выходе усилителя 47, как и на модулирующем входе ШИМ 44, сигнал “вых 47” представляет сумму сигналов “вых 50” и “вых 48”, а на входе запуска импульсы с выхода генератора 46 имеют вид “вых 46”, причем их частота в несколько раз, например в 6 раз, как показано на фиг.4, превышает частоту пульсаций. Амплитуда пульсаций для 3-фазного двухполупериодного выпрямителя (фиг.3, 4₁ -4₂) составляет приблизительно 10%, а так как их период имеет один порядок со временем срабатывания (отпускания) контролируемых аппаратов, пульсации вносят погрешность в определение тока (напряжения) срабатывания.

В предлагаемом устройстве на модулирующий вход ШИМ 44 поступает сигнал “вых 47”, (фиг 4), предварительно промодулированный в усилителе 47 пульсацией в противофазе.

Рассмотрим процесс на участке периода Т_П пульсации. Для упрощения рассуждений на диаграмме в) фиг.4 интервалы синусоид представлены в виде треугольных сигналов. Пилообразное напряжение U_вн - это внутренний сигнал элемента 44 ШИМ, который вырабатывается внутренним генератором с периодом Т₃ , запускаемым по переднему фронту импульсами “вых 46”. Этот сигнал (U_вн) сравнивается в процессе работы ШИМ с сигналом “вых 47”, в результате в каждом периоде Т₃ образуются на выходе ШИМ 44 импульсы с переменной длительностью t_ш1 ...t_ш6, которые включают (на фиг.4 заштрихованные полосы) и выключают ключ 5. При включении ключа ток i₈ протекает по цепи: вых 4₁, ключ 5, дроссель 6, шунт 7, клемма 52₁, обмотка 8 аппарата 9, клемма 52 ₂, вых 4₂. При этом запасается энергия в дросселе 6 и обмотке 8. При выключении ключа 5 (незаштрихованные интервалы между t_ш) сигналом с инвертора 45 включается ключ 10 и в эти интервалы источником тока являются дроссель и обмотка, ток протекает в том же направлении по цепи: дроссель 6, шунт 7, клемма 52₁, обмотка 8, клемма 52₂, ключ 10, дроссель 6. При этом ток имеет только пульсацию с периодом Т₃, которая по амплитуде в несколько раз меньше пульсации с периодом Т_п, при этом период ее значительно меньше времени срабатывания (отпускания) аппарата, за счет этого снижается погрешность измерения тока срабатывания (отпускания) аппарата. Для сравнения на фиг.4в показан ток i_л для случая применения ШИМ без дополнительной модуляции. Величина тока i _л пропорциональна площадкам, ограниченным сверху линией “вых 4₁-4₂” напряжения на выходе выпрямителя 3, снизу осью абсцисс, с левой стороны линиями заднего (спадающего) фронта пилообразного напряжения U_вн, а с правой - вертикальными линиями, проведенными через точки пересечения линейно-нарастающего напряжения U_вн с напряжением “вых 50”, которое имело бы место на выходе усилителя 47, если бы отсутствовал сигнал по вх 1 усилителя 47, т.е. для случая использования ШИМ для управления током по известной схеме без подмешивания сигнала “вых 48” (фиг.3). Ток содержит пульсации как с периодом Т₃, так и с периодом Т₆.

Ток i₈ нарастает, начиная с 0. При достижении током значения i₈=I_ср , где I_ср - ток срабатывания токового реле 9, одним из контактов 17 возбуждается сигнал на “вх 2” БУ, который через схему ИЛИ 25 поступает на входы 2 схем И₁, И₂ . На входе И₁ 21 присутствует разрешающий сигнал с “вых 2” формирователя 19. На выходе схемы образуется сигнал установки в “1” триггера 26, на выходе “вых 3” БУ при этом появляется сигнал установки схем выборки-хранения 33, 35 в состояние хранения. Они переходят в это состояние. Схема 33 запоминает ток I _cp, сигнал, пропорциональный которому находился на информационном входе. Это значение преобразуется в АЦП 37 в цифровую форму и отображается индикатором 41. Схема 35 запоминает напряжение, которое в рассматриваемом случае равно 0, и отображает через АЦП 39 на индикаторе 43.

Ток i₈ продолжает нарастать до максимального значения в течение t_н, при этом отображается по второму каналу элементами 32, 36, 40, затем следует выдержка t_в и по окончании интервала t_и ток начинает монотонно падать. В какой-то момент он достигает значения l _отп - тока отпускания реле, реле 9 отпускает, один из контактов 17 снова возбуждает сигнал на “вх 2” БУ, через схему ИЛИ 25 поступает на “вх 2” схем И 21, 22, но теперь разрешающий сигнал присутствует на выходе инвертора 20 и входе 1 И 22, устанавливается в “1” триггер 27, на “вых 4” БУ появляется сигнал установки схем 32, 34 в состояние хранения. Схема 32 запоминает ток I_отп , через АЦП 36 отображает на индикаторе 40. Схема 34 запоминает напряжение, которое равно 0, и отображает через АЦП 38 на индикаторе 42. Цикл закончен. На индикаторах отображаются токи I_cp и I_отп. Наблюдают результаты. При необходимости цикл повторяют. После этого размыкают выключатель В1.

Перед контролем аппарата с обмоткой напряжения (выключатель 23 выключен) включают выключатель 24, к клеммам 51₁, 51₂ подключают обмотку 14 аппарата 15, один из выходных контактов 16 подключают ко “вх 1” БУ. Включают выключатель В1. Нажимают кнопку “сброс”, затем “пуск”, с выхода БП1 на вход устройства 12 подается переменное напряжение, в БУ вырабатывается сигнал “вых 19 (1, 2)”, который поступает через выключатель 24 на реле К24, реле срабатывает и своими контактами через “вых 2” БУ 18 в регуляторе 12 запускает режим плавного нарастания переменного напряжения.

В течение t_н на выходе регулятора 12 нарастает переменное напряжение “вых 12”, фиг 3, которое поступает на выпрямитель 13 с фильтром и с него напряжение “вых 13” поступает на клеммы 51₁, 51₂ проверяемого реле 15, на обмотку 14 и на информационные входы схем 34, 35 блока 31 измерения. По аналогии с работой устройства в режиме контроля токового реле запоминается напряжение U_cp срабатывания реле схемой 35 и через АЦП 39 отображается индикатором 43. По истечении времени t_и реле К24 отпускает и своими контактами в регуляторе 12 запускает режим спада напряжения. Напряжение на обмотке 14 снижается, достигает значения U_отп отпускания, реле 15 отпускает, контактами 16 воздействует на “вх 1” БУ 18, через схемы ИЛИ 25, И 22 устанавливается в “1” триггер 27 и с “вых 4” блока 18 команда “хранение” поступает на входы управления схем 34, 32. Схема 34 запоминает напряжение U_отп реле 15. U_отп отображается через АЦП 38 индикатором 42.

При контроле аппаратов, имеющих обмотки токовую и напряжения, предварительно замыкают оба выключателя 23 и 24, при этом токовую обмотку подключают к клеммам 52₁, 52₂, обмотку напряжения - к клеммам 51₁, 51₂ , а выход контактов - к “вх 1” или “вх 2” БУ.

Для токовой обмотки и обмотки напряжения процессы контроля проистекают как описано выше, а в конце цикла индикаторы отображают ток I _cp в токовой обмотке, напряжение U_cp, которое имело место при этом на обмотке напряжения, а также I_отп и U_отп. После окончания контроля выключателем В1 размыкают цепь питания устройства.