групповой электромеханический переключатель

Формула изобретения

Групповой электромеханический переключатель с угловым перемещением органа управления, контакты которого приводятся в действие радиально направленными кулачками, содержащий установленные на общем валу устройство для приведения в действие контактов в виде набора разнотипных профилированных кулачковых шайб и устройство для определения углового положения вала, электрические выходы которого подключены ко входам устройства управления электродвигателем, вал которого связан с валом переключателя через муфту и редуктор, а обмотки якоря и возбуждения которого подключены к выходам устройства управления, отличающийся тем, что устройство для определения углового положения вала выполнено в виде бесконтактного датчика абсолютного углового положения, а устройство управления - в виде электронного программируемого блока определения диапазонов углового перемещения вала, подключенного к обмоткам якоря и возбуждения электродвигателя через блок электронных коммутаторов, обеспечивающий программное циклическое включение, отключение, электрическое торможение и реверсирование электродвигателя в функции углового положения вала.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к области тягового электропривода, а более конкретно к групповым электромеханическим переключателям, предназначенным для переключения ступеней пуско-тормозных резисторов в главных цепях электропривода и выполняющим роль исполнительного элемента системы автоматического пуска и торможения тяговых двигателей. Изобретение может быть использовано на городском транспорте, например на вагонах метрополитена.

Известен групповой электромеханический переключатель с угловым перемещением органа управления, контакты которого приводятся в действие радиально направленными кулачками, содержащий установленные на общем валу устройство для приведения в действие силовых контактов в виде набора разнотипных профилированных кулачковых шайб и устройство для определения углового положения вала, электрические выходы которого подключены ко входам устройства управления электродвигателем, вал которого связан с валом переключателя через муфту и редуктор, а обмотки якоря и возбуждения подключены к выходам устройства управления («Руководство по эксплуатации вагонов метрополитена моделей 81-717.5 и 81-714.5». М.: Транспорт, 1993. С.49-52).

В упомянутом известном переключателе в качестве устройства для определения углового положения вала используется контакторное устройство ЭУ1, управляющие контакты которого также приводятся в действие радиально направленными профилированными кулачками, расположенными на дополнительной части вала переключателя. При этом точность, дискретность и стабильность определения углового положения вала переключателя зависят от точности изготовления и степени износа профилированных кулачков ЭУ1, а наличие громоздкого, трудоемкого в изготовлении контакторного устройства ЭУ1 существенно увеличивает массу и габариты переключателя, что ухудшает динамику (быстродействие) и снижает надежность работы переключателя.

Устройство для управления электродвигателем в упомянутом переключателе выполнено в виде набора релейно-контакторных элементов, переключаемых по командам контактных устройств ЭУ1 в соответствии с его разверткой (диаграммой переключения). При этом развертка (диаграмма переключения) ЭУ1 однозначно определена выбранным профилем его кулачков и не позволяет изменять параметры программного цикла работы переключателя. Кроме того, большое количество контактных элементов в устройстве управления электродвигателем дополнительно снижает надежность работы переключателя.

Устройство для управления электродвигателем в известном переключателе подключает напряжение питания к обмоткам якоря и возбуждения непосредственно, без промежуточных коммутаторов (преобразователей), что приводит к резким пускам и торможениям электродвигателя, проявляющимся в виде ударных нагрузок на механические элементы переключателя, снижающих ресурс работы переключателя.

В связи с вышеизложенным задача данного изобретения заключается в решении указанных проблем известного уровня техники.

Для решения поставленной задачи предложен групповой электромеханический переключатель с угловым перемещением органа управления, контакты которого приводятся в действие радиально направленными кулачками, содержащий установленные на общем валу устройство для приведения в действие контактов в виде набора разнотипных профилированных кулачковых шайб и устройство для определения углового положения вала, электрические выводы которого подключены ко входам устройства управления электродвигателем, вал которого связан с валом переключателя через муфту и редуктор, а обмотки якоря и возбуждения подключены к выходам устройства управления, отличающийся тем, что устройство для определения углового положения вала выполнено в виде бесконтактного абсолютного датчика углового положения, а устройство управления - в виде электронного программируемого блока определения диапазонов углового перемещения вала, подключенного к обмоткам якоря и возбуждения электродвигателя через блок электронных коммутаторов, обеспечивающий программное циклическое включение, отключение, электрическое торможение и реверсирование электродвигателя в функции углового положения вала.

Технический результат, достигаемый совокупностью существенных признаков предложенного технического решения, состоит в повышении точности, дискретности, стабильности и быстродействия управления переключением ступеней пуско-тормозных резисторов в главных цепях электропривода, уменьшении массы вращающихся частей и исключении контактных элементов за счет введения вместо контакторного устройства ЭУ1 бесконтактного абсолютного датчика углового положения вала, получении возможности гибкого программного изменения параметров цикла работы переключателя применительно к типу и режимам работы конкретного транспортного средства и повышении надежности и ресурса работы переключателя при одновременном снижении массы, габаритов и трудоемкости его изготовления за счет введения электронного программируемого блока определения диапазонов углового перемещения вала вместо релейно-контакторного устройства управления и подключения его к обмоткам якоря и возбуждения электродвигателя через дополнительно введенный блок электронных коммутаторов.

Состав и принцип работы известного группового электромеханического переключателя иллюстрируется структурной схемой, приведенной на фиг.1.

Состав и принцип работы предлагаемого группового электромеханического переключателя иллюстрируется структурной схемой, приведенной на фиг.2.

Известный групповой электромеханический переключатель (фиг.1) содержит установленные на общем валу 1 устройство 2 для приведения в действие силовых контактов 3 в виде набора разнотипных профилированных кулачковых шайб 4 и контакторное устройство 5 для определения углового положения вала, управляющие контакты которого 6 приводятся в действие радиально направленными профилированными кулачками 7, расположенными на дополнительной части вала 1 переключателя. Выходы устройства 5 подключены ко входам релейно-контакторного устройства 8 управления электродвигателем 9, вал 10 которого связан с валом 1 переключателя через муфту 11 и редуктор 12, а обмотки якоря 13 и возбуждения 14 подключены к выходам устройства 8 управления.

Силовые контакты 3 электромеханического переключателя обеспечивают переключение ступеней пуско-тормозных резисторов в главных цепях 15 электропривода транспортного средства.

Предлагаемый групповой электромеханический переключатель (фиг.2) содержит установленные на общем валу 1 устройство 2 для приведения в действие силовых контактов 3 в виде набора разнотипных профилированных кулачковых шайб 4 и устройство 5 для определения углового положения вала, выполненное в виде бесконтактного абсолютного датчика углового положения.

Выходы устройства 5 подключены ко входам устройства 8 управления электродвигателем 9, при этом устройство 8 выполнено в виде электронного программируемого блока определения диапазонов углового перемещения вала 1.

Выходы устройства 8 подключены ко входам блока электронных коммутаторов 16, к выходам которого подключены обмотка якоря 13 и обмотка возбуждения 14 электродвигателя 9, вал 10 которого связан с валом 1 переключателя через муфту 11 и редуктор 12.

Силовые контакты 3 группового электромеханического переключателя обеспечивают переключение ступеней пуско-тормозных резисторов в главных цепях 15 электропривода транспортного средства.

Предлагаемый групповой электромеханический переключатель работает следующим образом.

Абсолютный датчик 5, входной величиной которого является угловое положение вала 1 переключателя, формирует на выходе усиленные напряжения высоких и низких уровней, соответствующих единицам и нулям цифрового кода. Выходные сигналы датчика 5 в виде параллельного или последовательного кода, соответствующего углу поворота вала 1, поступают на вход электронного программируемого блока 8, который, в соответствии с занесенной в него программой, производит декодирование входных сигналов углового положения вала 1 в диапазоны позиций группового переключателя, отличающиеся алгоритмом управления электродвигателем 9, приводящим во вращение вал 1 переключателя. Так, например, если общее число позиций на один оборот вала переключателя равно n с угловым расстоянием между позициями 360°/n, то в блоке 8 идентифицируются: позиция 1, позиция n/3, диапазон позиций 1...n/2, диапазон позиций n/2...n. Кроме того, после прихода вала 1 группового переключателя в позицию n, в блоке 8 производится запоминание n-ой позиции и хранение этой информации в оперативной памяти до возврата вала 1 переключателя в исходную первую позицию.

Наряду с сигналами от датчика 5 на входы блока 8 поступают режимные сигналы «Выбег», «Ход 1», «Ход 2», «Ход 3», «Тормоз 1», «Тормоз 2», «Тормоз 3» от соответствующих позиций контроллера машиниста и сигналы, пропорциональные фактическим значениям токов в цепях тяговых двигателей, от датчиков тока в главных цепях электропривода.

Анализируя совокупность входных режимных сигналов от контроллера машиниста, сигналов от датчиков тока и сигналов от датчика 5 углового положения вала 1, электронный программируемый блок 8 в каждый момент времени формирует выходные сигналы управления электродвигателем 9, поступающие на вход блока 16 электронных коммутаторов.

Блок 16 электронных коммутаторов выполнен в виде однофазного мостового транзисторного инвертора, в диагональ моста которого включена обмотка 13 якоря электродвигателя 9, и дополнительных транзистора и диода, включенных соответственно последовательно и антипараллельно с обмоткой 14 возбуждения электродвигателя 9. При этом, в зависимости от комбинации входных сигналов, блок 16 включает транзистор в цепи обмотки 14 возбуждения и два из четырех транзисторов мостового инвертора, обеспечивая либо вращение электродвигателя в одном из двух возможных направлений, либо его быстрое электрическое торможение.

В исходном состоянии тягового электропривода (сигнал «Выбег» на входе блока 8) группы тяговых двигателей соединены последовательно, а групповой электромеханический переключатель находится в первой позиции, при этом его силовые контакты обеспечивают структуру главных цепей 15 электропривода с максимальным значением сопротивления пусковых резисторов. При постановке контроллера машиниста в первую ходовую позицию (сигнал «Ход 1» на входе блока 8) ток в главной цепи ограничен максимальным сопротивлением пусковых резисторов, электродвигатель 9 не вращается, электромеханический переключатель остается на первой позиции. Такой режим ограниченного тока используется для плавного трогания или маневров транспортного средства при низкой скорости.

При постановке контроллера машиниста во вторую ходовую позицию (сигнал «Ход 2» на входе блока 8) блок 8 производит сравнение заданной уставки тока с фактическим значением токов в цепях тяговых двигателей и, если фактическое значение тока становится ниже уставки, формирует такую комбинацию выходных сигналов управления транзисторами блока 16 электронных коммутаторов, которая обеспечивает вращение электродвигателя в прямом направлении, соответствующем вращению группового переключателя от первой к n-ой позиции. При этом на каждой следующей позиции переключатель своими силовыми контактами 3 выводит из главной цепи 15 электропривода одну очередную степень пусковых резисторов, поддерживая в процессе разгона транспортного средства среднее значение тока тяговых двигателей на уровне заданной уставки тока. После вывода очередной ступени пусковых резисторов ток в цепи тяговых двигателей увеличивается и становится выше уставки, поэтому блок 8 формирует такую комбинацию выходных сигналов управления транзисторами блока 16 электронных коммутаторов, которая обеспечивает короткое замыкание обмотки 13 якоря электродвигателя 9 и его быстрое электрическое торможение. При следующем снижении тока в главной цепи ниже уставки процесс вращения группового переключателя по позициям от 1 к n-ой позиции продолжается.

После прихода вала 1 группового переключателя в позицию n пусковые сопротивления полностью выведены, при этом блок 8 запоминает n-ую позицию в оперативной памяти, выдает команду на переключение групп тяговых двигателей с последовательного соединения на параллельное с введенными пусковыми резисторами и формирует такую комбинацию сигналов управления транзисторами блока 16 электронных коммутаторов, которая обеспечивает вращение электродвигателя 9 в обратном направлении, соответствующем вращению группового переключателя от n-ой к первой позиции. При этом, аналогично предыдущему, групповой переключатель производит поочередный (для смягчения толчков тягового усилия при переходе с позиции на позицию) вывод из параллельных цепей тяговых двигателей ступеней пусковых резисторов с поддержанием уставки тока тяговых двигателей, используя те же силовые контактные элементы, что и при последовательном соединении тяговых двигателей. Это позволяет значительно сократить число позиций группового переключателя при сохранении необходимого числа ступеней пусковых резисторов.

Если контроллер машиниста установлен во вторую ходовую позицию, то после прихода вала 1 группового переключателя при обратном направлении вращения на позицию n/3 блок 8 выдает команду на возврат группового переключателя на первую позицию, и вал 1 группового переключателя хронометрически (то есть с фиксацией на каждой позиции) по кратчайшему пути возвращается в исходное состояние. На этом режим реостатного пуска завершен, и дальнейший разгон транспортного средства может происходить только по автоматической характеристике полного поля без поддержания заданной уставки тока якоря тяговых двигателей.

При постановке контроллера машиниста в третью ходовую позицию (сигнал «Ход 3» на входе блока 8) после завершения реостатного пуска при последовательно-параллельном соединения тяговых двигателей на n/3 позиции группового переключателя блок 8 выдает команду на включение регуляторов тока возбуждения тяговых двигателей, которые по мере увеличения скорости транспортного средства обеспечивают плавное изменение коэффициента ослабления поля, поддерживая заданное значение тока якоря тяговых двигателей, соответствующее уставке тока в позиции «Ход 3». При этом тяговый электропривод реализует предельную тяговую автоматическую характеристику, обеспечивающую максимальные динамические показатели транспортного средства при пуске.

Ручное управление реостатным пуском при последовательном соединении тяговых двигателей может осуществляться путем поочередной установки контроллера машиниста из позиции «Ход 1» в позицию «Ход 2» и обратно. При этом после установки контроллера машиниста из позиции «Ход 2» в позицию «Ход 1» происходит остановка и фиксация вала 1 группового переключателя на последней предшествующей реостатной позиции, а при обратной установке контроллера машиниста в позицию «Ход 2» продолжается вращение вала 1 группового переключателя на последующие реостатные позиции. Такое управление может использоваться, например, при выезде транспортного средства из депо или маневровой работе.

При постановке контроллера машиниста в тормозные позиции (сигналы «Тормоз 1», «Тормоз 2» или «Тормоз 3» на входе блока 8) работа группового электромеханического переключателя происходит аналогично описанному выше для ходовых режимов. Отличие состоит в том, что на всех тормозных позициях контроллера машиниста в диапазоне больших скоростей работают регуляторы возбуждения, поддерживающие соответствующую уставку тока якоря путем плавного увеличения тока возбуждения тяговых двигателей по мере снижения скорости транспортного средства. В диапазоне средних и малых скоростей после завершения работы регуляторов возбуждения на вход блока 8 поступает сигнал «Разрешение работы переключателя», при этом блок 8 формирует такую комбинацию выходных сигналов управления блоком 16, которая обеспечивает вращение электродвигателя 9 в прямом направлении, соответствующем вращению группового переключателя от первой к n-ой позиции. При этом на каждой следующей позиции переключатель своими силовыми контактами 3 выводит из главной цепи 15 электропривода одну очередную ступень тормозных резисторов, поддерживая в процессе электрического торможения транспортного средства среднее значение тока тяговых двигателей на уровне уставки, соответствующей заданной тормозной позиции контроллера машиниста.

Аналогично ходовому режиму позиции «Тормоз 1» и «Тормоз 2» могут использоваться для ручного (байпасного) управления реостатным торможением, а в позиции «Тормоз 3» тяговый электропривод реализует предельную тормозную автоматическую характеристику, обеспечивающую максимальные динамические показатели транспортного средства при электрическом торможении.

После прихода вала 1 группового переключателя в n-ую позицию эффективность электрического торможения начинает снижаться, поэтому в n-ой позиции переключателя блок 8 выдает команду на включение замещающего пневматического торможения, обеспечивающего эффективное затормаживание транспортного средства до полной остановки.

При постановке контроллера машиниста из любой ходовой или тормозной позиции в нейтральное (нулевое) положение (сигнал «Выбег» на входе блока 8) блок 8 определяет фактическое угловое положение вала 1 группового переключателя и формирует такую комбинацию выходных сигналов управления транзисторами блока 16 электронных коммутаторов, которая обеспечивает возврат вала 1 группового переключателя на исходную первую позицию по кратчайшему пути. Так, например, если в момент поступления сигнала «Выбег» на вход блока 8 групповой переключатель находится между первой и n/2 позицией, то блок 8 формирует комбинацию выходных сигналов управления, соответствующую вращению электродвигателя в обратном направлении, а группового переключателя - от n/2 к первой позиции. Если же в момент поступления сигнала «Выбег» на вход блока 8 групповой переключатель находится между n/2 и n-ой позицией, то блок 8 формирует комбинацию выходных сигналов управления, соответствующую вращению электродвигателя в прямом направлении, а группового переключателя - от n/2 к n-ой позиции.

Такой алгоритм позволяет сократить интервал времени при смене режимов работы транспортного средства (переходе из ходового в тормозной режим и обратно).

Описанный выше алгоритм управления групповым электромеханическим переключателем является типовым, но не единственно возможным. Изменяя программу, занесенную в электронный программируемый блок 8, можно гибко изменять параметры цикла работы группового переключателя, например изменять границы контролируемых диапазонов позиций, обеспечивать, при необходимости, фиксацию переключателя на каждой реостатной позиции, формировать широтно-импульсное управление транзисторами блока электронных коммутаторов. Это расширяет возможности использования предложенного группового электромеханического переключателя для других применений.