Устройство регулирования скорости путевой машины Российский патент 2023 года по МПК H02P7/28 

Изобретение относится к устройствам управления гидромеханическими и пневмогидравлическими силовыми передачами транспортных средств посредством исполнительных механизмов с приводом от коллекторных электродвигателей постоянного тока и может быть использовано для управления силовыми гидромеханическими передачами железнодорожных путевых машин.

Известен электропривод постоянного тока [патент на изобретение RU 2587207 С1, B60L 11/18^2006.01, Н02Р 7/26^2006.01, Н02Р 7/29^2006.01, B60L 7/12^2006.01, опубл. 20.06.2016] с импульсным регулированием скорости при питании от аккумуляторной батареи, применяемый на транспортных средствах с автономным питанием, таких как электромобили, электрокары, электропогрузчики, шахтные аккумуляторные электровозы.

Электропривод постоянного тока содержит, по крайней мере, один электродвигатель постоянного тока, получающий питание от аккумуляторной батареи, и один импульсный преобразователь, выполненный на двух последовательно соединенных управляемых полупроводниковых ключах, шунтированных обратными диодами. Двигатель подсоединен между общей точкой управляемых полупроводниковых ключей и одним из выводов источника питания через конденсаторный накопитель, зашунтированный диодом, пропускающим ток в двигательном режиме работы привода.

Недостатками данного электропривода постоянного тока является то, что он не обеспечивает:

- управление электроприводом с независимых постов управления;

- настройку режимов работы электропривода;

- управление электроприводом по частоте вращения вала электродвигателя.

Также известно устройство управления двигателем постоянного тока [патент на изобретение RU 2584005 C1, Н02Р 7/28^2006.01, Н02Р 7/285^2006.01, Н02Н 7/085^2006.01, опубл. 20.05.2016], которое может быть использовано для управления электродвигателями постоянного тока, преимущественно при питании от низковольтного источника. Устройство управления двигателем постоянного тока включает в себя источник питания, преобразователь питания, блок включения, входной фильтр, четыре драйвера, мостовой инвертор, датчик тока, блок управления мостовым инвертором и защиты двигателя.

Недостатками данного устройства управления двигателем постоянного тока является то, что оно не обеспечивает:

- управление электроприводом с независимых постов управления;

- настройку режимов работы электропривода;

- управление электроприводом по частоте вращения вала электродвигателя.

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому устройству является устройство регулирования скорости путевой машины EL-T 5311.00С, входящее в состав системы управления реверсивной четырехступенчатой гидромеханической передачей ZF WG-65II (производитель - ZF Friedrichshafen AG, Федеративная Республика Германия) путевой выправочно-подбивочно-рихтовочной машины Duomatic 09-32 CSM (производитель - Plasser & Theurer, Австрийская Республика).

Известное устройство регулирования скорости путевой машины содержит модуль регулятора оборотов кабины машиниста, модуль регулятора оборотов кабины оператора, селектор переключения управляющей кабины, селектор режима движения, модуль настройки режимов движения, интегральный силовой модуль управления двигателем, модуль обратной связи, источник электропитания.

Выходы модуля регулятора оборотов кабины машиниста и модуля регулятора оборотов кабины оператора соединены с соответствующими входами селектора переключения управляющей кабины, к которому последовательно присоединены селектор режима движения, модуль настройки режимов движения и интегральный силовой модуль управления двигателем, при этом соответствующий выход модуля настройки режимов движения также соединен с входом модуля обратной связи. Входы питания модуля регулятора оборотов кабины машиниста, модуля регулятора оборотов кабины оператора, селектора переключения управляющей кабины, селектора режима движения, модуля настройки режимов движения, интегрального силового модуля управления двигателем и модуля обратной связи связаны с выходами питания источника электропитания. Интегральный силовой модуль управления двигателем включает усилители тока, силовые полупроводниковые ключи, встроенные цепи температурной защиты и токовой компенсации и выполнен в неразборном герметичном металлическом корпусе типа ТО-3 на подложке из оксида бериллия.

Недостатком данного устройства регулирования скорости путевой машины является то, что оно не обеспечивает независимую диагностику и замену компонентов интегрального силового модуля управления двигателем (усилителей тока, силовых ключей), что оказывает негативное влияние на эксплуатационную надежность и ремонтопригодность данного устройства в целом.

Техническим результатом заявленного изобретения является повышение эксплуатационной надежности и ремонтопригодности устройства регулирования скорости путевой машины за счет обеспечения независимой диагностики и замены силовых модулей управления двигателем и их компонентов.

Указанный технический результат достигается тем, что в устройстве регулирования скорости путевой машины, включающем модуль регулятора оборотов кабины машиниста, модуль регулятора оборотов кабины оператора, селектор переключения управляющей кабины, селектор режима движения, модуль настройки режимов движения, модуль обратной связи, источник электропитания, при этом выходы питания источника электропитания связаны с входами питания модуля регулятора оборотов кабины машиниста, модуля регулятора оборотов кабины оператора, селектора переключения управляющей кабины, селектора режима движения, модуля настройки режимов движения и модуля обратной связи, выходы модуля регулятора оборотов кабины машиниста и модуля регулятора оборотов кабины оператора связаны с входом селектора переключения управляющей кабины, выход которого связан с последовательно соединенными селектором режима движения и модулем настройки режимов движения, соответствующий выход которого связан с соответствующим входом модуля обратной связи новым является то, что дополнительно содержит силовой модуль А управления двигателем, включающий усилитель тока и два силовых ключа, силовой модуль В управления двигателем, включающий усилитель тока и два силовых ключа, при этом выходы питания источника электропитания связаны с входами питания силового модуля А управления двигателем и силового модуля В управления двигателем, входы усилителей тока связаны с соответствующим выходом модуля настройки режимов движения, а выходы усилителей тока связаны с соответствующими входами силовых ключей.

Сущность предлагаемого технического решения показана на структурной схеме заявляемого устройства регулирования скорости путевой машины, представленной на фиг. 1.

Предлагаемое устройство регулирования скорости путевой машины включает в себя модуль регулятора оборотов кабины машиниста (1), модуль регулятора оборотов кабины оператора (2), селектор переключения управляющей кабины (3), селектор режима движения (4), модуль настройки режимов движения (5), силовой модуль А управления двигателем (6), включающий усилитель тока (8) и два силовых ключа (9, 10), силовой модуль В управления двигателем (7), включающий усилитель тока (11) и два силовых ключа (12, 13), модуль обратной связи (14), источник электропитания (15). Компоненты предлагаемого устройства регулирования скорости путевой машины выделены на фиг. 1 пунктирной рамкой.

Выходы модуля регулятора оборотов кабины машиниста (1) и модуля регулятора оборотов кабины оператора (2) соединены с входом селектора переключения управляющей кабины (3), выход которого соединен с входом селектора режима движения (4). Выход селектора режима движения (4) соединен с входом модуля настройки режимов движения (5). Модуль настройки режимов движения (5), входящий в состав заявляемого устройства, непосредственно взаимодействует с программируемым контроллером привода путевой машины (17). Программируемый контроллер привода путевой машины (17) не входит в состав заявляемого устройства регулирования скорости путевой машины и показан на фиг. 1 с целью пояснения сущности предлагаемого технического решения.

Выходы передачи параметров движения путевой машины в режимах «Максимальные обороты» (выход 1), «Холостой ход» (выход 2), «Разгон» (выход 3) и «Торможение» (выход 4) модуля настройки режимов движения (5) связаны с соответствующими входами программируемого контроллера привода путевой машины (17). Пятый выход модуля настройки режимов движения (5) связан со вторым входом модуля обратной связи (14).

Шестой выход модуля настройки режимов движения (5) связан с первым входом усилителя тока (8) силового модуля А управления двигателем (6) и с первым входом усилителя тока (11) силового модуля В управления двигателем (7). Второй вход усилителя тока (8) силового модуля А управления двигателем (6) и второй вход усилителя тока (11) силового модуля В управления двигателем (7) связаны с соответствующим выходом программируемого контроллера привода путевой машины (17).

Выход усилителя тока (8) силового модуля А управления двигателем (6) связан с входами силовых ключей (9, 10), общая точка выходов которых связана с входом А реверсивного коллекторного двигателя постоянного тока (16). Выход усилителя тока (11) силового модуля В управления двигателем (6) связан с входами силовых ключей (12, 13), общая точка выходов которых связана с входом В реверсивного коллекторного двигателя постоянного тока (16).

Реверсивный коллекторный двигатель постоянного тока (16) также включает в себя дополнительный тахогенератор (на фиг. 1 не показан), не входит в состав заявляемого устройства регулирования скорости путевой машины и показан на фиг. 1 с целью пояснения сущности предлагаемого технического решения.

Выход дополнительного тахогенератора реверсивного коллекторного двигателя постоянного тока (16) связан со вторым входом модуля обратной связи (14), выход которого связан с соответствующим входом программируемого контроллера привода путевой машины (17). Входы питания следующих модулей заявляемого устройства связаны с выходами питания (+5 В,+12 В,+24 В) источника электропитания:

• модуль регулятора оборотов кабины машиниста (1) - входы питания +5 В, +12 В;

• модуль регулятора оборотов кабины оператора (2) - входы питания +5 В, +12 В;

• селектор переключения управляющей кабины (3) - вход питания +24 В;

• селектор режима движения (4) - входы питания +12 В,+24 В;

• модуль настройки режимов движения (5) - входы питания +12 В,+24 В;

• силовой модуль А управления двигателем (6) - входы питания +12 В,+24 В;

• силовой модуль В управления двигателем (7) - входы питания +12 В,+24 В;

• модуль обратной связи (14) - вход питания +5 В.

Предлагаемое устройство регулирования скорости путевой машины выполнено в форме сменного модуля в соответствии с конструктивом «Евромеханика» и требованиями ГОСТ Р МЭК 60297-3-101-2006.

Реализация компонентов заявляемого устройства выполнена с использованием пассивных электронных компонентов, дискретных полупроводниковых приборов и интегральных микросхем низкой степени интеграции и соответствует известным из уровня науки и техники принципам построения схем преобразования аналоговых сигналов на операционных усилителях [см. Волович Г.И. Схемотехника аналоговых и аналого-цифровых электронных устройств / Г.И. Волович. Москва: Издательский дом «Додэка-XXI», 2005. 528 с.] и построения вторичных источников электропитания [см. Гейтенко Е.Н. Источники вторичного электропитания. Схемотехника и расчет. Учебное пособие / Е.Н. Гейтенко. Москва: СОЛОН-ПРЕСС, 2008. 448 с.].

Модуль регулятора оборотов кабины машиниста (1) реализован в форме схемотехнической комбинации пассивных электронных компонентов, дискретных полупроводниковых приборов, операционных усилителей в интегральном исполнении и представляет собой последовательно соединенные интегрирующую RC-цепочку, повторитель напряжения на операционному усилителе и параллельный сумматор-интегратор на операционном усилителе.

Модуль регулятора оборотов кабины оператора (2) реализован в форме схемотехнической комбинации пассивных электронных компонентов, дискретных полупроводниковых приборов, операционных усилителей в интегральном исполнении и представляет собой последовательно соединенные интегрирующую RC-цепочку, повторитель напряжения на операционному усилителе и параллельный сумматор-интегратор на операционном усилителе.

Селектор переключения управляющей кабины (3) выполнен в форме релейного коммутатора выбора управляющей кабины (кабина машиниста или кабина оператора путевой машины).

Селектор режима движения (4) выполнен в форме релейного коммутатора, включающего отдельные электромагнитные реле на каждый из основных режимов движения путевой машины («Максимальные обороты», «Холостой ход», «Разгон», «Торможение»), электромагнитное реле перевода гидромеханической силовой передачи путевой машины из транспортного режима в рабочий режим, дополнительные лампы сигнализации режимов движения путевой машины «Разгон», «Холостой ход» и «Останов».

Модуль настройки режимов движения (5) представляет собой набор регулируемых делителей напряжения, обеспечивающих подстройку коэффициентов преобразования сигнала обратной связи, сформированного дополнительным тахогенератором реверсивного коллекторного двигателя постоянного тока (16).

Силовой модуль А управления двигателем (6) реализован в форме схемотехнической комбинации пассивных электронных компонентов, дискретных полупроводниковых приборов, операционных усилителей в интегральном исполнении и включает в себя последовательно соединенные усилитель тока на операционном усилителе с отрицательной обратной связью и два силовых ключа на базе биполярных транзисторов, формирующих комплементарную пару.

Силовой модуль В управления двигателем (7) реализован в форме схемотехнической комбинации пассивных электронных компонентов, дискретных полупроводниковых приборов, операционных усилителей в интегральном исполнении и включает в себя последовательно соединенные усилитель тока (11) на операционном усилителе с отрицательной обратной связью и два силовых ключа (12, 13) на базе биполярных транзисторов, формирующих комплементарную пару.

Модуль обратной связи (14) реализован в форме схемотехнической комбинации пассивных электронных компонентов, дискретных полупроводниковых приборов, операционных усилителей в интегральном исполнении и включает в себя повторитель напряжения на операционном усилителе, первый аналоговый сумматор-интегратор на операционном усилителе и второй аналоговый сумматор-интегратор на операционном усилителе.

Источник электропитания (15) реализован в форме набора преобразователей постоянного напряжения 24 В бортовой сети путевой машины в интегральном исполнении. Данный набор включает преобразователи постоянного напряжения 24-12 В и 12-5 В. Также источник электропитания включает в себя набор токоограничающих резисторов, рассчитанных на напряжение питания 24 В.

Процесс функционирования предлагаемого устройства регулирования скорости путевой машины рассмотрим на примере задачи регулирования скорости движения путевой выправочно-подбивочно-рихтовочной машины Duomatic 09-32 CSM (производитель - Plasser & Theurer, Австрийская Республика, далее - путевая машина) в транспортном и рабочем режимах. При этом заявляемое устройство регулирования скорости путевой машины посредством реверсивного коллекторного двигателя постоянного тока (16) обеспечивает непосредственное управление сервовентилем гидросистемы привода подвижных единиц путевой машины в рабочем режиме. Гидросистема привода подвижных единиц путевой машины в рабочем режиме входит в состав гидромеханической передачи ZF WG-65 II (производитель - ZF Friedrichshafen AG, Федеративная Республика Германия) путевой машины и обеспечивает заданный режим работы топливного насоса дизельного агрегата KTA19L (производитель - Cummins Inc., США) путевой машины.

Сигнал на вход модуля регулятора оборотов кабины машиниста (1) или на вход модуля регулятора оборотов кабины оператора (2) поступает с органов управления приборных панелей соответствующих кабин (кабины машиниста или кабины оператора) путевой машины. После чего осуществляется последовательное преобразование входного сигнала компонентами модуля регулятора оборотов кабины машиниста (1) или модуля регулятора оборотов кабины оператора (2): интегрирующей RC-цепочкой, повторителем напряжения на операционном усилителе и параллельным сумматором-интегратором на операционном усилителе.

Полученный в результате преобразования сигнал на изменение оборотов вала силовой передачи путевой машины подается на вход селектора переключения управляющей кабины (3), посредством которого с использованием органов управления приборных панелей соответствующих кабин (кабины машиниста или кабины оператора) путевой машины, выбирается кабина, с которой в дальнейшем будет осуществляться управление движением путевой машины. При этом релейный коммутатор селектора переключения управляющей кабины обеспечивает передачу преобразованного сигнала на изменение оборотов вала силовой передачи путевой машины на вход селектора режимов движения (4) в зависимости от выбранной управляющей кабины.

Релейный коммутатор селектора режима движения (4) обеспечивает перевод гидромеханической силовой передачи путевой машины из транспортного режима в рабочий режим, дальнейшую передачу преобразованного сигнала на изменение оборотов вала силовой передачи путевой машины в зависимости от выбранного режима движения путевой машины («Максимальные обороты», «Холостой ход», «Разгон», «Торможение») и визуальную сигнализацию режимов движения путевой машины «Разгон», «Холостой ход» и «Останов» посредством сигнальных ламп. Преобразованный сигнал на изменение оборотов силовой передачи путевой машины от селектора режима движения (4) передается на вход модуля настройки режимов движения (5).

Модуль настройки режимов движения обеспечивает предварительную подстройку коэффициентов преобразования сигнала обратной связи, сформированного дополнительным тахогенератором реверсивного коллекторного двигателя постоянного тока (16) с использованием набора регулируемых делителей напряжения. При этом значения коэффициентов преобразования сигнала обратной связи задаются на этапе отладки заявляемого устройства регулирования скорости путевой машины в соответствии с динамическими характеристиками путевой машины, поступают на выходы передачи параметров движения путевой машины в режимах «Максимальные обороты», «Холостой ход», «Разгон» и «Торможение» модуля настройки режимов движения (4) и передаются на соответствующие входы программируемого контроллера привода путевой машины (17). Значение коэффициента преобразования сигнала обратной связи, соответствующее выбранному режиму движения путевой машины с использованием селектора режима движения (4) также передается на первый вход модуля обратной связи (14).

Преобразованный сигнал на изменение оборотов вала силовой передачи путевой машины с выхода модуля настройки режимов движения передается на входы усилителя тока (8) силового модуля А управления двигателем и усилителя тока (11) силового модуля В управления двигателем.

Усилители тока (8, 11) совместно с силовыми ключами (9, 10) силового модуля А управления двигателем и силовыми ключами (12, 13) силового модуля В управления двигателем реализуют процесс управления реверсивным коллекторным двигателем постоянного тока (16) с использованием трехуровневой широтно-импульсной модуляции [см. Гольц М.Е. Автоматизированные электроприводы постоянного тока с широтно-импульсными преобразователями / М.Е. Гольц, А.Б. Гудзенко, В.М. Остреров, Л.А. Шпиглер. Москва: Энергия, 1972. 112 с.]. При этом управляющий сигнал с общей точки соединения выходов силовых ключей (9, 10) силового модуля А управления двигателем (6) и с общей точки соединения выходов силовых ключей (12, 13) силового модуля В управления двигателем (7) поступает на входы А и В реверсивного коллекторного двигателя постоянного тока (16) соответственно.

Модуль обратной связи (14) реализует две стадии преобразования сигнала обратной связи. На первой стадии преобразования сигнала обратной связи, сигнал с выхода дополнительного тахогенератора реверсивного коллекторного двигателя постоянного тока (16), считанный со второго входа модуля обратной связи (14) поступает на вход последовательно соединенных повторителя напряжения на операционном усилителе и первого аналогового сумматора-интегратора на операционном усилителе. Аналоговый сигнал, полученный на первой стадии преобразования сигнала обратной связи и заданное значение подстройки коэффициента преобразования сигнала обратной связи, полученное от модуля настройки режимов движения (4) и считанное с первого входа модуля обратной связи (14) поступают на вход второго аналогового сумматора-интегратора на операционном усилителе, сигнал с выхода которого передается на вход программируемого контроллера привода путевой машины (17).

Таким образом, предлагаемое устройство регулирования скорости путевой машины обеспечивает управление силовой гидромеханической передачей выправочно-подбивочно-рихтовочной путевой машины посредством исполнительного механизма с приводом от реверсивного коллекторного электродвигателя постоянного тока и отличается повышенной эксплуатационной надежностью и ремонтопригодностью за счет возможности независимой диагностики и замены силовых модулей управления двигателем и их компонентов.

Изобретение относится к устройствам управления гидромеханическими и пневмогидравлическими силовыми передачами транспортных средств посредством исполнительных механизмов с приводом от коллекторных электродвигателей постоянного тока и может быть использовано для управления силовыми гидромеханическими передачами железнодорожных путевых машин. Технический результат заключается в повышении эксплуатационной надежности и ремонтопригодности устройства регулирования скорости путевой машины за счет обеспечения независимой диагностики и замены силовых модулей управления двигателем и их компонентов. Указанный технический результат достигается тем, что устройство регулирования скорости путевой машины включает в себя модуль регулятора оборотов кабины машиниста, модуль регулятора оборотов кабины оператора, селектор переключения управляющей кабины, селектор режима движения, модуль настройки режимов движения, силовой модуль А управления двигателем, включающий усилитель тока и два силовых ключа, силовой модуль В управления двигателем, включающий усилитель тока и два силовых ключа, модуль обратной связи, источник электропитания. Предлагаемое устройство обеспечивает управление электроприводом исполнительных механизмов гидромеханической передачи железнодорожных путевой машины по частоте вращения вала электродвигателя с настраиваемым контуром обратной связи с настройкой режимов управления электроприводом в зависимости от требуемого режима движения железнодорожной путевой машины при использовании двух независимых кабин управления. 1 ил.

Устройство регулирования скорости путевой машины, включающее модуль регулятора оборотов кабины машиниста, модуль регулятора оборотов кабины оператора, селектор переключения управляющей кабины, селектор режима движения, модуль настройки режимов движения, модуль обратной связи, источник электропитания, при этом выходы питания источника электропитания связаны с входами питания модуля регулятора оборотов кабины машиниста, модуля регулятора оборотов кабины оператора, селектора переключения управляющей кабины, селектора режима движения, модуля настройки режимов движения и модуля обратной связи, выходы модуля регулятора оборотов кабины машиниста и модуля регулятора оборотов кабины оператора связаны с входом селектора переключения управляющей кабины, выход которого связан с последовательно соединенными селектором режима движения и модулем настройки режимов движения, соответствующий выход которого связан с соответствующим входом модуля обратной связи, отличающееся тем, что дополнительно содержит силовой модуль А управления двигателем, включающий усилитель тока и два силовых ключа, силовой модуль В управления двигателем, включающий усилитель тока и два силовых ключа, при этом выходы питания источника электропитания связаны с входами питания силового модуля А управления двигателем и силового модуля В управления двигателем, входы усилителей тока связаны с соответствующим выходом модуля настройки режимов движения, а выходы усилителей тока связаны с соответствующими входами силовых ключей.