Устройство для питания цепей управления электроподвижного состава Советский патент 1979 года по МПК B60L1/10 H02J7/34 

1

Изобретение относится к области электрооборудования транспорта и предназначено для питания нагрузок цепей управления электроподвижного состава стабильным постоянным напряжением, например 50 В, и обеспечения нормального заряда аккумуляторной батареи.

Известны различные устройства для питания цепей управления и заряда аккумуляторной батареи, которая может выполняться секционированной 1, 2.

Наиболее близким к изобретению является устройство для питания цепей управления электроподвижного состава, содержащее генераторы постоянного тока, одни одноимепные выводы которых подключены к одноименному выводу секционированной аккумуляторной батареи и шипе цепей управления, а другие одноименные выводы которых соединены через рубильники между собой и с одноименным выводом секционированной аккумуляторной батареи и другой шиной цепей управления, причем обмотки возбуждения генераторов подключены каждая к своему регулятору напряжения, а последовательно с аккумуляторной батареей включены балластные резисторы 3.

Устройство допускает как недозаряд, так и перезаряд аккумуляторной батареи. При набросах и сбросах нагрузки может нарушаться нормальная работа цепей управления. При высокой скорости вращения нагружен только один генератор. В балластных резисторах теряется существенная доля вырабатываемой энергии.

Цель изобретения - улучшение энергетических показателей и повышение надежности работы устройства.

Для достижения этой цели устройство снабжено тремя электрическими вентилями, включенными между рубильниками и второй из указанных шин цепей управления, причем два электрических вентилях из указанных соединены последовательно и к точке их соединения между собой подключен второй вывод секционированной аккумуляторной батареи.

Устройство может быть снабжено подключенным параллельно к обмотке якоря одного из генераторов постоянного тока контактором, нормально открытые контакты которого включены последовательно с балластными резисторами и секциями аккумуляторной батареи.

Устройство может быть снабжено подключенным к обмотке якоря другого из генераторов постоянного тока вторым контактором, нормально разомкнутый контакт которого включен последовательно с катушкой первого контактора и нормально замкнутый

контакт которого включен последовательно между секциями аккумуляторной батареи.

Устройство может быть снабжено подключенным ко вторым одноименным выводам генераторов постоянного тока третьим контактором, нормально замкнутый контакт которого включен последовательно с катушкой второго контактора.

Устройство может быть снабжено выполненной из последовательно соединенных диода, регулируемого резистора и нормально открытого контакта нервого из указанных контакторов цепью обратной связи, включенной между регулятором напряжения одного из генераторов постоянного тока и точкой соединения одного из балластных резисторов с нормально открытым контактом первого из указанных контактора.

На фиг. 1 приведена принципиальная электрическая схема устройства; на фиг. 2- электрическая схема бесконтактного регулятора напряжения.

Устройство содержит два генератора 1 и 2 постоянного тока, отрицательные полюсы обмоток возбуждения и якоря которых подключены к отрицательной шипе цепей управления (силовые цепи обозначены на фиг. 1 жирными линиями). Положительный полюс обмотки якоря генератора 1 подключен к контакту рубильника 3. Другой контакт того же рубильника 3 через диод 4 подключен к положительной шине цепей управления.

Бесконтактный регулятор 5 напряжения имеет два входных зажима 5-1 и 5-2. Квыходному зажиму 5-3 бесконтактного регулятора 5 напряжения подключен положительный полюс обмотки возбуждения генератора 1. Входной зажим 5-2 регулятора 5 подключен к контакту рубильника 3, а входной зажим 5-1 - к отрицательной шине цепей управления.

Положительный полюс обмотки якоря генератора 2 подключен к контакту другого рубильника 6. Средний контакт этого рубильника 6 подключен к аноду диода 7, у которого катод соединен с другим контактом рубильника 6, с анодом диода 8 и с положительным полюсом аккумуляторного узла 9, содержащего две параллельные нетви. Одна из ветвей содержит секцию 10 аккумуляторной батареи, нормально разомкнутый контакт контактора 11 и балластный резистор 12. Другая ветвь содержит идентичные элементы, но расположенные в обратной последовательности: балластный резистор 13, второй нормально разомкнутый контакт контактора 11 и секцию 14 аккумуляторной батареи. Обе секции 10 и 14 аккумуляторной батареи одинаковы, и их номинальное напряжение равно половине напряжения питания цепей управления. Оба балластных резистора 12 и 13 также имеют одинаковые сопротивление. Отрицательный полюс аккумуляторного узла

9, т. е. общая точка балластного резистора 12 и отрицательного полюса секции 14 батареи, подключен к отрицательной шине цепей управления.

Секции 10 и 14 аккумуляторной батареи соединены между собой последовательно посредством нормально замкнутого контакта контактора 15. Устройство содержит также и другой бесконтактный регулятор 16 напряжения с зажимами 16-1 -16-5. Обмотка возбуждения генератора 2 также, как и обмотка возбуждения генератора 1, подключена отрицательным полюсом к отрицательной шине цепей управления, а положительным- к выходному зажиму 16-3 бесконтактного регулятора 16 напряжения. Другой выходной зажим 16-5 и входной зажим 16-2 бесконтактного регулятора 16 объединены и подключены к контакту рубильника 6. Входной зажим 16-1 регулятора 16 подключен к отрицательной шине цепей управления. У регулятора 16 имеется третий входной зажим 16-4, который через цепочку, состоянхую из нормально разомкнутого блок-контакта контактора 11 регулируемого резистора 17 и диода 18, подключен к балластному резистору 12.

Катоды диодов 4 и 8, а также контакт рубильника 6 подключены к положительной шине цепей управления.

Между положительными полюсами обмоток якоря генераторов 1 и 2 подключена катушка контактора 19. Его нормально замкнутый контакт включен в цепи катушки контактора 15, которая подключена ко входу бесконтактного регулятора 5 напряжения. Нормально разомкнутые контакты контактора 15 включены в цепи катушки контактора 11, которая подключена к входным зажимам 16-1 и 16-2 регулятора 16 напряжения генератора 2.

Бесконтактный регулятор 5 или 16 напряжения (см. фиг. 2) представляет собой транзисторный несимметричный триггер, собранный на двух транзисторах 20 и 21. Положительная обратная связь между транзисторами 20 н 21 осуществляется посредством резистора 22, а форсировка опрокидывания триггера достигается цепочкой, содержащей резистор 23 и конденсатор 24. К коллекторной цени выходного транзистора 21, т. е. к точке соединения балластного резистора 25 и обратного диода 26 (эта точка является выходным зажимом 5-3 или 16-3 регулятора), подключен конец обмотки возбуждения генератора, напряжение которого стабилизирует регулятор. Входная, т. е. измерительная, цепь бесконтактного регулятора напряжения содержит резисторы 27-29 н стабилитрон 30. Входные зажимы 5-1 и 5-2 или 16-1 и 16-2 являются входом регулятора. Входной зажим 16-4 соединен с резистором 29 и имеется только в регуляторе 16. К нему подключен конец цепочки обратной связи из элементов 17, 18, контакт кон5

тактора 11 (см. фиг. 1). В регуляторе также имеются диод 31 и резистор 32.

Устройство работает следующим образом.

Как только генератор начинает вращаться, вследствие остаточного магнетизма в обмотке якоря образуется ЭДС величиной порядка 5 В, которая прикладывается как ко входу бесконтактного регулятора напряжения, так и через цепочку, состоящую из резистора 22, диода 31, транзистора 21, резисторов 32 и 25, к обмотке возбуждения генератора. Пока напряжение генератора меньще 50 В, транзистор 20 заперт, а транзистор 21 открыт, и в обмотке возбуждения генератора течет максимальный ток, обусловленный параметрами перечисленных элементов, включенных последовательно с обмоткой возбуждения, и сопротивлением самой обмотки возбуждения. Поскольку через обмотку возбуждения пощел ток, то это приведет к увеличению напряжения на обмотке якоря генератора, и, следовательно, к еще большему увеличению тока возбуждения, до тех пор, пока напряжение генератора не станет несколько больще 50 В. Тогда транзистор 20 открывается, а транзистор 21 закрывается. Это приводит к некоторому снижению напряжения генератора, что вызывает запирание транзистора 20 и, следовательно, отпирание транзистора 21. Напряжение генератора снова поднимается, и весь процесс регулирования, т. е. стабилизации, повторяется. Поскольку сам бесконтактный регулятор напряжения является практически безынерционным аппаратом, а его коэффициент возврата близок к единице, то регулирование напряжения генератора происходит .с большой частотой (порядка несколько сот Герц) и малой пульсацией (до 1%). Резистор 28 служнт для регулирования уставки напряжения бесконтактного регулятора напряжения 5 или 16.

В нормальном (неаварийном) режиме рубильники 3 и 6 находятся во включенном положении. При этом входные зажимы обоих регуляторов 5 и 16 напрял ения подключены к обмоткам якоря генераторов 1и 2. Пока генераторы не вращаются, контактор 15 обесточен, поскольку папряжения генераторов равны нулю. Поэтому нормально замкнутый контакт контактора 15, соединяющий положительный полюс секции 14 аккумуляторной батареи с отрицательным полюсом секции 10 аккумуляторной батареи, замкнут, а контакт контактора 15 в цепи катущки контактора 11 разомкнут. Вследствие этого контакты контактора 11 в параллельных ветвях, содержащих секции 10 и 14 аккумуляторной батареи и балластные резисторы 12 и 13, разомкнуты, и поэтому обе секции аккумуляторной батареи включены последовательно н их суммарное напряжение приложено через диод 8 к положительной и отрицательной шинам цепей управления. При отсутствии нагрузки в це6

пях управления напряжение каждой секции батареи несколько больше половины напряжения питания, т. е. больше 25 В.

Регулятор 5 напряжения отрегулирован так, что генератор 1 дает, например, 51 В, а регулятор 16 отрегулирован так. что генератор 2 дает, например, 49 В. Когда на обмотке якоря генератора 1 напояженне достигает величины порядка 40 В, контактор

15 срабатывает, его нормально замкнутый контакт в цепях секций аккумуляторной батареи размыкается, а нормально разомкнутый контакт в цепн катушкн контактора 11 замыкается, в результате чего срабатывает

контактор 11 и замыкаются его нормально разомкнутые контакты в параллельных ветвях, где находятся секцни аккумуляторной батареи, и в цепочке обратной связи, состоящей из резистооа 17 и диода 18. Таким

образом, секции 10 и 14 батареи вместе с балластными резисторами 12 и 13 образуют две параллельные зарядные группы, через которые протекают зарядные токи но контуру: ноложительный полюс обмотки

якоря генератора 2-контакты рубильника 6-диод 7-обе паралле,льные ветви аккумуляторного узла 9 - отрицательный полюс обмотки якоря генератора 2. Таким образом, благодаря тому, что вся аккумгляторная батарея, дающая в сумме напряжение 50 В, разделена на две секции, осуществляется нормальный заряд от генератора 2, дающего 49 В. Контактор 19 в нормальном режиме не срабатывает, поскольку разница напряжений обоих генераторов, приложенная к нему, составляет всего 2 В (51-49) В, и поэтому его нормально замкнутый контакт в цепн катушки контактора 15 остается замкнутым.

Генератор 1 пнтает только нагрузки цепей прав,тення н не принимает участия в зарядке аккумуляторной батареи. Батарея заряжается от генератора 2, который в нормальном режиме не несет никакой другой

нагрузки. Питание генератором 1 нагрузок цепей управления производится по следующему контуру: положительный полюс обмоткп якоря генератора 1-контакты рубнльннка 3 - диод 4 - положительная н отрицательная шины цепей управления, отрицательный полюс обмотки якоря генератора 1. Диод 8 предотвращает протекание тока из генератора 1 в аккумуляторный узел 9 заряжаемых секций 10 и 14 аккумуляторной

батареи. С другой стороны, чтобы предотвратить протекание тока из генератора 2 в цепи управления по цепн: положительный полюс обмотки якоря генератора 2 - диоды 7 и 8 - цепи управления - отрицательный

полюс обмотки якоря генератора 2, напряжение генератора 1 выбрано больше напряжения генератора 2. Разница этих напряжений прикладывается в обратном направлении к диоду 8, вследствие чего он заперт.

В начале процесса зарядки, когда секции

10 и 14 батареи частично или полностью заряжены, напряжения на их нолюсах минимальны и составляют, например, около 27-

28В без нагрузки. Поэтому ток заряда и соответственно падение напряжения на балластном резисторе 12 (также и на резисторе 14) максимально и равно 22-21 В. При настройке бесконтактного регулятора 16 напряжения между входными зажимами 16-4 и 16-1 установлено напряжение величиной порядка 20 В. Поэтому в начальный нериод заряда диода 18 (см. фиг. 1) заперт, поскольку к нему приложено обратное папряжение, равное разности падепий напряжений на резисторах 12 и 29 (см. фиг. 2). Эта разность напряжений принята равной

2 - 1В. До момента, когда эта разность станет равной нулю из-за запертого состояния диода 18, электрическая связь между резистором 12 и резистором 29 практически отсутствует, поэтому бесконтактный регулятор 16 напряжения поддерживает на генераторе 2 постоянное напряжение 49 В.

По мере заряда секций 10 и 14 батареи напряжение на их полюсах растет, следовательно, напряжение на балластных резисторах 12 и 13 падает. Как только падение напряжения на резисторе 12 уменьшится до величины 20 В, диод 18 отпирается, возникает электрическая связь между резистором

29и резистором 12, и тогда цепочка, состоящая из резистора 17, диода 18 и резистора 12, подключается параллельно нижней (по чертежу) части резистора 29. В результате параметры всей измерительной входной цепи (резисторы 27, 28 и 29 на фиг. 2) регулятора напряжения изменяются, что приводит к автоматическому изменению уставки регулятора, а именно к уменьшению напряжения генератора 2. Применение описанной обратной связи дало возможность повысить интенсивность заряда секций аккумуляторной батареи в начальный период процесса заряда (до момента отнирания диода 18),

а затем после отпирания диода 18-плавно уменьшить зарядный ток, вследствие чего батарея заряжается нормально и нет выкипания электролита.

Таким образом, благодаря разделению нагрузок между генераторами 1 и 2 удалось поддерживать постоянство напряжения в ценях управления, питая их от генератора I, и одновременно оптимально заряжать аккумуляторную батарею благодаря обеспечению автоматического уменьшения напряжения на генераторе 2 в процессе заряда. Поскольку в цепях управления отсутствуют балластные резисторы, то повышается КПД устройства.

Работа устройства нри наиболее вероятных неисправностях осуществляется следующим образом.

При выходе из строя генератора 1 напряжение, даваемое генератором, 1, снизится почти до нуля, и под действием напряжения генератора 2 сработает контактор 19 (контактор 19 срабатывает от абсолютной разности напряжений генераторов 1 и 2), разомкнув свой нормально замкнутый контакт в цепи питания катушки контактора 15. Последний отпадает, разомкнув своими контактами цепь катушки контактора 11 и замкнув свой нормально замкнутый контакт в аккумуляторном узле 9, включив последовательно секции 10 и 14 аккумуляторной батареи. Кроме того, вследствие отключения контактора 11 его контакты в цепях заряда обеих секций батареи разомкнутся, и батарея из режима заряда нерейдет в режим разряда, питая цепи управления через следующую цепь: положительный полюс секции 10 батареи - диод 8 - положительная шина цепей управления - отрицательный полюс секции 14 багарей. Обычно в начале разряда батареи на цепи управления его напряжение нревосходит напряжение генератора 2, поэтому диод 7 заперт под действием обратного напряжения и все цепи управления питаются от аккумуляторной батареи. Но вследствие разряда на нагрузку напряжение батареи быстро уменьшится до уровня напряжения генератора 2, и тогда генератор 2 начнет брать па себя нагрузку и даже будет подзарял ать батарею. Таким образом,нри порче генератора 1 вся нагрузка автоматически переходит на генератор 2 без вмешательства обслуживающего персонала.

При выходе из строя генератора 1 независимо от того, какой величины напряжение установилось на генераторе 2 до аварии в процессе заряда аккум ляторной батареи, оно автоматически скачком возрастет до 49 В ввиду отключения цепи обратной связи контактором 11.

В случае выхода из строя генератора 2 снова срабатывает контактор 19 и замыкаются контакты контактора 15 в ккумуляторном узле 9, обесточнвается контактор 11, и его контакты в параллельных ветвях аккумуляторного узла 9 размыкаются, и тогда суммарное напряжение секций 10 и 14 батареи через диод 8 приложится к цепям управления. Может оказаться, что суммарное напряжение секций 10 и 14 батареи будет в первый момент больше напряжения генератора 1. Тогда всю нагрузку цепей управления возьмет на себя аккумуляторная батарея, и под действием разности напряжений диод 4 запоется и с генератора 1 нагрузка снимется. Когда напряжение батареи станет равным нанряжению генератора 1,диод 4 откроется, а диод 8 запрется, что приводит к переводу нагрузки с аккумуляторной батареи на генератор 1. В этом случае генератор 1 нитает только цепи управления и не подзаряжает аккумуляторную батарею, поскольку днод 8 заперт. Теперь для того чтобы батарея подзаряжалась от генератора 1, необходимо переключить рубильник 6. Диод 8 зашунтируется, и откроется путь для

зарядного тока из генератора 1 в аккумуляторную батарею.

При выходе из строя обоих генераторов 1 и 2 все контакторы обесточены, поэтому нормально замкнутый контакт контактора 15 замкнут, контакты контактора 11 разомкнуты, и тогда сеции 10 и 14 аккумуляторной батареи включены последовательно и питают цепи управления.

Применение описанного устройства на электроподвижном составе позволяет повысить качество заряда аккумуляторной батареи и не заменять их длительное время в процессе эксплуатации.

Формула изобретения

1. Устройство для питания цепей управлении электроподвижного состава, содержащее генераторы постоянного тока, одни одноименные выводы которых подключены к одноименному выводу секционированной аккумуляторной батареи и шине цепей управления, а другие одноименные выводы соединены через рубильники между собой и с другим одноименным выводом секционированной аккумуляторной батареи и другой шиной цепей управления, обмотки возбуждения генераторов подключены каждая к своему регулятору напряжения, а последовательно с аккумуляторной батареей включены балластные резисторы, отличающееся тем, что, с целью улучшения энергетических показателей и повышения надежности работы, устройство снабжено тремя электрическими вентилями, включенными между рубильниками и второй из указанных шин цепей управления, причем два электрических вентиля из указанных соединены последовательно и к точке их соединения между собой подключен второй вывод секционированной аккумуляторной батареи.

2.Устройство по п. 1, отличающееся тем, что оно снабжено подключенным параллельно обмотке якоря одного из генераторов постоянного тока контактором, нормально открытые контакты которого включены последовательно с балластными резисторами и секциями аккумуляторной батареи.

3.Устройство по пп. 1 и 2, отличающееся тем, что оно снабжено подключенным к обмотке якоря другого из генераторов постоянного тока вторым контактором, нормально разомкнутый контакт которых включен последовательно с катушкой первого контактора и нормально замкнутый контакт которого включен последовательно между секциями аккумуляторной батареи.

4.Устройство по пп. 1-3, отличаюHJ. е е с я тем, что оно снабжено подключенным ко вторым одноименным выводам генераторов постоянного тока третьим контактором, нормально замкнутый контакт которого включен последовательно с катушкой второго контактора.

5.Устройство по пп. 1-4, отличающееся тем, что оно снабжено выполненной из последовательно соединенных диода, регулируемого резистора и нормально открытого контакта первого из указанных контакторов цепью обратной связи, включенной между регулятором напряжения одного из генераторов постоянного тока и точкой соединения одного из балластных резисторов с нормально открытым контактом первого из указанных контактора.

Источники информации, принятые во внимание при экспертизе

1.Авторское свидетельство СССР № 494804, кл. Н 01 М 45/00, 1974.

2.Авторское свидетельство СССР № 488734, кл.В 60 L 1/12, 1974.

3.Электровоз ВЛ10. - Руководство по эксплуатации. Под ред. О. А. Кикнадзе. М., Транспорт, 1973, с. 206.

1

I I I M/ л-iHb- J fa-pf

i

t I t f t

f/;/i. /

S-1, /.

S-3,is-3