Содержание к диссертации
Введение
1 Анализ существующих систем диагностирования выпрямительно-инверторных преобразователей электровозов переменного тока в локомотивном депо 11
1.1 Обзор существующих методов и технических средств диагностирования для определения технического состояния ВИП 12
1.2 Общие характеристики систем диагностирования ВИП электровозов переменного тока до и после их ремонта в локомотивном депо 18
1.3 Анализ существующих условий в разработке системы диагностирования ВИП электровозов 27
1.4 Цели и задачи исследования 30
2 Выпрямительно-инверторный преобразователь как объект диагностирования при эксплуатции и послеремонтных испытаниях в локомотивном депо 32
2.1 Общие сведения об устройстве выпрямительно инверторного преобразователя и принципе его работы в режиме тяги 32
2.2 Анализ причин выхода из строя силовых вентилей и другого оборудования выпрямительно-инверторных преобразователей 43
2.3 Анализ причин выхода из строя выходных каскадов управления выпрямительно-инверторных преобразователей 48
2.4 Определение диагностических параметров выпрямительно-инверторных преобразователей 51
2.5 Разработка схемы причинно-следственных связей отказов ВИП и признаков их проявлений 56
2.6 Принципы построения системы диагностирования ВИП на основе использования логического метода распознавания 60
3 Разработка математической модели ВИП для характеристики процессов его работы в различных технических состояниях 67
3.1 Методика математического моделирования процесса выпрямления ВИП в составе системы «электровоз переменного 68
3.2 Математическая модель ВИП, реализованная в пакете схемотехнического моделирования ОrCAD 9.2 78
3.3 Оценка адекватности математической модели ВИП реальным процессам в выпрямительно-инверторном преобразователе 90
4 Разработка системы диагностирования ВИП при послеремонтных испытаниях и её техническая реализация 96
4.1 Структурная схема предлагаемой системы диагностирования ВИП 96
4.2 Физическое моделирование процессов выпрямления ВИП в составе силовой схемы электровоза переменного тока 99
4.2.1 Физическая модель ВИП 99
4.2.2 Условия адекватности электромагнитных процессов в физической модели ВИП процессам реального ВИП электровоза 100
4.3 Система управления физической моделью ВИП 105
4.3.1 Структурная схема системы управления физической моделью ВИП 106
4.3.2 Принципиальная схема системы управления физической моделью ВИП 110
4.3.3 Схема сопряжения СУВ с физической моделью ВИП и ПК 123
4.4 Общая характеристика процессов работы ВИП при исправных и неисправных технических состояниях 125
4.4.1 Первая зона 127
4.4.2 Вторая и третья зоны 143
4.5 Разработка алгоритма диагностирования ВИП 162
4.6 Технико-экономическая оценка разработанной системы диагностирования 175
Выводы 182
Библиографический список 183
Приложение Б 199
Приложение В 201
- Общие характеристики систем диагностирования ВИП электровозов переменного тока до и после их ремонта в локомотивном депо
- Принципы построения системы диагностирования ВИП на основе использования логического метода распознавания
- Методика математического моделирования процесса выпрямления ВИП в составе системы «электровоз переменного
- Принципиальная схема системы управления физической моделью ВИП
Введение к работе
Актуальность работы.
Выполнение графиков движения электроподвижным составом при оптимальных экономических показателях, а так же обеспечение безопасности движения поездов во многом определяется надёжной работой электровозов. В силу значительного износа электровозов переменного тока с тиристорными преобразователями типа ВЛ80Р, ВЛ85, ВЛ65 и ЭШ, эксплуатируемых на Красноярской, Восточно-Сибирской, Забайкальской и Дальневосточной железных дорогах, особую важность получает задача повышения качества ремонта и обслуживания парка подвижного состава в локомотивном депо.
Выпрямительно-инверторные преобразователи являются наиболее сложной и ответственной частью тягового электропривода электровоза переменного тока. Любое изменение их надёжности в меньшую или в большую сторону приводит соответственно к ухудшению либо улучшению параметров эксплуатационной надёжности и, как следствие этого, производительности электровозов. В связи с этим особое внимание уделяется диагностике и контролю качества ремонта ВИЛ.
Низкая автоматизация процесса диагностирования, следствием чего является значительное влияние субъективного человеческого фактора, порождающее низкую достоверность, высокие трудозатраты и продолжительность диагностирования, является на данный момент одной из важных причин недостаточного уровня качества ремонта ВИЛ. Осуществление проверки параметров и характеристик ВИЛ после ремонта в ненагруженном состоянии можно отнести к причинам, снижающим достоверность постановки диагноза и как следствие этого задающим низкий уровень качества ремонта ВИЛ.
Таким образом, задача исследования, разработки и внедрения средств технического диагностирования, обеспечивающих оперативное и достоверное определение технического состояния сложного и ответственного оборудования электроподвижного состава, является актуальной. Она нашла отражение в Стратегии развития железнодорожного транспорта в Российской Федерации до 2030 года, утвержденной распоряжением Правительства РФ № 877р от 17.06.2008 г.
Особо значимая роль в контроле технического состояния ВИЛ отводится послеремонтной диагностике преобразователей. Поскольку она является последним звеном общей технологической цепи ремонта, то её основная цель -исключить случаи выдачи в эксплуатацию ВИЛ с не выявленными дефектами, а также обеспечить объективную оценку качества работ по техническому обслуживанию и ремонту преобразователей.
Для осуществления эффективной и качественной диагностики на этапе стационара необходим функциональный контроль для проверки взаимодействия элементов ВИЛ между собой, позволяющий наблюдать работу всего преобразователя в целом либо совместную работу нескольких блоков в режиме имитации реальной нагрузки. На заключительном этапе ремонта функциональный
контроль позволил бы выявить все возможные дефекты, допущенные при ошибочной наладке или сборке и монтаже схем еще до установки ВИП на локомотив, где осуществляется окончательная проверка под рабочими воздействиями.
В этой связи представляется актуальной задача разработки стационарной системы диагностики, которая позволила бы наблюдать работу всего преобразователя как единого объекта диагностирования в условиях имитации рабочих воздействий, и с достаточной оперативностью и достоверностью выдавать информацию о состоянии ВИП при послеремонтных испытаниях в локомотивном депо.
Целью диссертационной работы является повышение качества ремонта ВИП путем создания системы диагностирования выпрямительно-инверторного преобразователя для послеремонтных испытаний в локомотивном депо.
Достижение поставленной цели потребовало решения следующих задач:
1. Провести анализ возможных дефектов в ВИП и причин их возникновения с
целю определение возможных направлений поиска методов контроля его
технического состояния.
2. Разработать математическую модель ВИП в составе обобщенной
математической модели «электровоз переменного тока» для установления связи
между возможными дефектами ВИП и признаками их проявлений на
электромагнитные процессы в силовой схеме электровоза и выбора
диагностических параметров.
Разработать физическую модель ВИП и её системы управления в составе физической модели электровоза для анализа электромагнитных процессов, протекающих при переходе с зоны на зону, при исправном состоянии вентильных плеч и при наличии их обрывов.
Разработать методику обрывов плеч ВИП по выбранным диагностическим признакам и реализующий её алгоритм.
Создать программно-техническое устройство, реализующее методику диагностирования плеч ВИП и провести физическое исследование его работы.
Оценить экономическую эффективность применения разработанной системы послеремонтного диагностирования ВИП.
Методика исследований. Для решения поставленных диссертационной в работе задач использовались методы расчета электрических цепей, моделирование с помощью программного пакета схемотехнического моделирования OrCAD 9.2. Анализ режимов функционирования ВИП в различных технических состояниях проведен с помощью математического и физического моделирования электромагнитных процессов в силовой схеме электровоза переменного тока. Обработка результатов экспериментальных исследований проводилась на ЭВМ с помощью общего и специального программного обеспечения.
Научная новизна работы заключается в следующем:
1. Разработана математическая модель ВИП электровоза в режиме тяги,
позволяющая провести исследование электромагнитных процессов его работы
для выявления связи между возможными дефектами и их диагностическими
признаками.
Установлена взаимосвязь между возникновением максимального отклонения мгновенного значения выпрямленного напряжения на третьей зоне регулирования и моментом перехода со второй зоны на третью при обрывах вентильных плеч ВИП.
Разработана методика диагностирования обрывов плеч ВИП.
4. Синтезирована база знаний, связывающая отклонения диагностических
признаков и неисправностей плеч ВИП и включающая в себя рассчитанные
значения границ различия технических состояний по каждому диагностическому
признаку.
Достоверность полученных результатов обоснована:
Сравнительным анализом экспериментальных данных, полученных с электровоза ВЛ80Р (№ 1829) в режиме тяги на участке Иркутск - Слюдянка ВСЖД и данных математического моделирования;
Сравнительным анализом электромагнитных процессов в физической модели ВИП и в ВИП реального электровоза на основе теории подобия физических явлений;
3. Использованием лицензионного программного продукта OrCAD версии 9.2.
Практическая ценность работы заключается в следующем:
Разработано программно-техническое устройство для диагностирования обрывов вентильных плеч ВИП и одновременной проверки выполнения алгоритма управления по зонам регулирования во время послеремонтных испытаний.
Создана физическая модель ВИП с системой управления в составе физической модели электровоза, позволяющая наглядно проследить влияние обрывов вентильных плеч на диагностический параметр и оценить предложенный метод диагностирования плеч ВИП. Созданная физическая модель используется в учебном процессе подготовки студентов специальности 190303.65 -Электрический транспорт железных дорог.
Применение разработанной системы диагностирования ВИП позволит снизить время его восстановления за счет уменьшения времени постановки диагноза.
Апробация работы. Основные положения диссертационной работы и ее результаты докладывались и обсуждались:
- на научно-практической конференции «Надежность и эффективность систем
и устройств электроснабжения железных дорог», г. Хабаровск, ДВГУПС, декабрь
2005 г.;
- на всероссийской научно-практической конференции «Проблемы и
перспективы развития транссибирской магистрали в XXI веке», г. Чита, ЗабИЖТ,
ноябрь 2006 г.;
- на пятой международной научной конференции «Научно-техническое и
экономическое сотрудничество стран АТР в XXI веке», г. Хабаровск, ДВГУПС,
апрель 2007 г.;
на седьмой международной научно-практической конференции «Проблемы транспорта Дальнего Востока», г. Владивосток, МГУ, октябрь 2007 г.;
на международной научно-технической конференции «Электромеханические преобразователи энергии», г. Томск, ТПУ, октябрь 2007 г.;
на 45-й международной научно-практической конференции «Инновационные технологии - транспорту и промышленности», г. Хабаровск, ДВГУПС, ноябрь
2007 г.;
- на всероссийской научно конференции «Научно-технические проблемы
транспорта, промышленности и образования», г. Хабаровск, ДВГУПС, апрель
2008 г.;
на 2-ой международной научно-практической конференции «Электрификация железнодорожного транспорта «ТРАНСЭЛЕКТРО-2008», ДНУЖТ, сентябрь-октябрь 2008 г.;
на XII краевом конкурсе-конференции молодых ученых и аспирантов (секция «Технические науки»), г. Хабаровск, ТОГУ, январь 2010 г.;
на заседаниях кафедры «Электротехника, электроника и электромеханика», г. Хабаровск, ДВГУПС, 2011-2012 гг.
Публикации. Основное материалы исследований опубликованы в 14 научных работах, в том числе в 3-х ведущих рецензированных научных изданиях, определенных ВАК Минобрнауки России.
Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, 4 глав, выводов, приложения, библиографического списка из 80 наименований. Содержит 192 страницы основного текста, 22 таблицы и 63 рисунка.
Общие характеристики систем диагностирования ВИП электровозов переменного тока до и после их ремонта в локомотивном депо
Как показали многочисленные исследования, эксплуатационная надёжность электроподвижного состава во многом определяется надёжностью работы его выпрямительно-инверторных преобразователей (ВИП). Она же, в свою очередь, зависит от следующих факторов:
- соответствия свойств, параметров и характеристик ВИП, заложенных при проектировании, реальным условиям эксплуатации;
- правильности управления локомотивом локомотивной бригадой;
- качества плановых и внеплановых ремонтов.
Все указанные пункты, безусловно, важны для обеспечения безотказной работы преобразователей. Однако необходимо особо отметить третий пункт, поскольку именно он напрямую влияет на эксплуатационную надежность работы ВИП при движении электровоза на линии. Он же, в определенной степени, определяет и значимость второго пункта.
В течение всего срока службы выпрямительно-инверторные преобразователи электроподвижного состава проходят различные виды технического обслуживания (ТО) и ремонта (ТР). Объемы обслуживаний и ремонтов различны, и зависят от их конкретного вида. Основным назначением любого из существующих ТО и ТР является поддержание ВИП в технически исправном состоянии. Это должно обеспечить их надежную работу до следующего планового вида обслуживания и своевременное выявление развивающихся дефектов ВИП. Объем и порядок проведения операций ТО и ремонта ВИП определяется «Технологической инструкцией по техническому обслуживанию и текущим ремонтам полупроводниковых преобразовательных установок отечественных электровозов переменного тока» ТИ4251982.
Надежность электроподвижного состава очень тесно переплетается с понятием о качестве. Так, по данным статистики отказов ВИП локомотивного депо Смоляниново, одной из основных причин, приводящих к повреждениям ВИП в периоды приработки и нормальной эксплуатации, является невысокое качество их ремонта. Это связано не только с недостатком средств технической диагностики, нарушениями технологической дисциплины в процессе ремонта преобразователей, но и с недостаточным контролем их технического состояния, особенно на стадии послеремонтных испытаний.
Ведение контроля технического состояния ВИП до и после ремонта, позволяет своевременно обнаруживать и устранять дефекты в преобразователе, а также предупреждать причины их возникновения.
Определение технического состояния ВИП до проведения ремонта осуществляется следующим образом. Оборудование диагностируемого преобразователя с помощью встроенных, переносных и стационарных устройств диагностики проходит ряд проверок, направленных на выявление дефектов и отклонений, возникших в процессе эксплуатации;
1. Проверка исправного состояния ВИП по блоку бортовой диагностики.
2. Определение наличия дефектов ВИП на основе визуального контроля.
3. Проверка исправности основных составляющих блоков ВИП (силового блока, блока питания системы управления и блока диагностики).
4. Проверка исправности вентилей и вспомогательных элементов ВИП.
5. Комплектование элементов преобразователя при их замене.
На всех электровозах переменного тока, кроме ВЛ85, встроенная или иначе бортовая диагностика позволяет провести первичное диагностирование ВИП, то есть определить наличие и место сбоя, а также при достаточном навыке предположить причину возникновения отказа. В качестве встроенного средства диагностики ВИП используется устройство, сигнализирующее о пробое тиристора в любом плече преобразователя. Действие этого устройства основано на возникновении напряжения между нормально эквипотенциальными точками в тири-сторном плече и в параллельной цепи резисторов. Данные об отказе в конкретном плече ВИП, зафиксированном датчиком, передаются на панель в виде светового сигнала.
Однако встроенная диагностика, установленная на электровозах переменного тока, не полностью охватывает цепи, подлежащие контролю. В ней отсутствует контроль токовой нагрузки и перегрузки отдельных ветвей тиристоров преобразователей. Поэтому при неравномерном распределении тока по параллельным ветвям могут происходить повреждения приборов рабочим током плеча. В отличие от современных электровозов (ЭП1, ЭП1М, 2ЭС5К), на ВЛ80Р и ВЛ65 не предусмотрена возможность контроля формы напряжения, углов регулирования, функций БУВИП, работы отдельных блоков и панели питания. На электровозах ВЛ85 встроенная бортовая диагностика ВИП вообще не предусмотрена.
Проверка состояния электронного оборудования ВИП на локомотиве и в условиях депо включает в себя различные переносные и стационарные приборы и стенды.
Для определения основных параметров силовых вентилей используются следующие устройства:
-установка ППН 3,1 предназначенная для проверки в условиях депо, повторяющегося напряжения (класса) тиристоров и диодов в преобразовательных устройствах ЭПС при различных значениях токов утечки и обратного тока [36];
- устройство для измерения импульсного напряжения в открытом состоянии силовых тиристоров и импульсного прямого напряжения силовых диодов в условиях депо;
- переносной прибор для определения тока и напряжения цепей управления тиристора, позволяющий проверять параметры тиристоров без их демонтажа из ВИП [36].
Для быстрого определения неисправных силовых тиристоров, транзисторов и предохранителей непосредственно на электровозе, применяется переносной диагностический прибор ДП1 [36]. Проверка осуществляется с опущенным токоприёмником.
Для проверки работы всех плат системы формирования импульсов управления (СФИ), блока питания и тиристоров ВИП используется переносной прибор ДП2 массой 10 кг [36]. Он обеспечивает питание проверяемых узлов, формирует импульсы управления для запуска тиристоров плеч преобразователя и измеряет соответствующее напряжения до 50В в цепях постоянного, переменного и импульсного тока. При диагностировании можно выбрать с помощью переключателя следующие режимы работы: настройка плат ЖЛО и ЛА24, проверка их установок, проверка плат ЕЕ613 ЩП015, 0Д01, ВК42, проверка блока питания (БП), распределение напряжения по тиристорам плеч ВИП, поиск пробитого тиристора.
Так же для диагностирования неисправностей компонентов СФИ ВИП-4000 и выдачи рекомендаций по их ремонту, используется контрольно-диагностический аппаратно-програмный комплекс «КОДА СФИ ВИП» массой не более 3 кг [40]. Диагностирование осуществляется при наличии полностью исправного шасси блока управления СФИ ЖГКИ.656161, в который вставляются полностью исправные кассеты ОДО, ЩПО и диагностируемые кассеты выходного каскада усиления (ВК). С его помощью можно так же осуществить диагностирование импульсных трансформаторов системы управления, подключив их вместо исправных, а также выявить ряд неисправностей кассет ОДО и ЩПО.
Для контроля работы цепей и элементов ВИП по форме выпрямленного напряжения, в депо в соответствии с заводской инструкцией, применяется переносной комплект измерительного оборудования, состоящий из высоковольтного шланга и осциллографа. По форме выпрямленного напряжения удобно так же измерять фазы всех импульсов управления в режимах тяги и рекуперации.
Для контроля качества вентилей в условиях локомотивного депо используется прибор НР247 (Саранский завод «Электровыпрямитель») предназначенный для определения класса вентилей. Но его существенным недостатком является невозможность определения класса отдельного вентиля без разборки ВИП.
Проверка сопротивления изоляции силовых цепей ВИП в условиях депо производится мегаомметром напряжением 2500 В.
Принципы построения системы диагностирования ВИП на основе использования логического метода распознавания
Любая разновидность диагностирования объекта реализуется системой диагностирования. В соответствии с основными положениями технической диагностики [54,34], ВИП, являясь объектом диагноза, может быть представлен динамической системой, состояние которой в каждый момент времени определяется значениями входных, внутренних и выходных координат (переменных). Входными координатами являются воздействия, представленные управляемыми сигналами, подаваемыми на ВИП от источника внешних воздействий. В качестве выходных функций можно рассматривать сигналы, получаемые на выходах ВИП. Внутренними переменными объекта являются такие параметры, которые не являются его входными или выходными координатами и, обычно, недоступны для измерения (например - переходные тепловые сопротивления на пути отвода тепла от полупроводниковой структуры). На рис. 2.10 показано воздействие входных переменных и формирование выходных функций ВИП.
Входными переменными могут являться напряжения и токи, подаваемые на элементы ВИП. В качестве выходных функций могут рассматриваться токи и напряжения, снимаемые с тех или иных контрольных точек ВИП, а также, временные соотношения между ними.
Если объект находится в исправном состоянии, то реализация элементарной проверки дает отклик объекта на воздействие, описываемый выражением (2.1), которое рассматривается как модель исправного объекта. В случае, когда в объекте имеется дефект, объект находится в /-ом неисправном состоянии. Реализация элементарной проверки в этом случае даст иной отклик объекта на поданное воздействие.
Выражение (2.2) рассматривается как модель /-го неисправного состояния объекта.
Классическое построение системы тестового диагностирования рассмотрено в [54]. На рис. 2.11 приведена функциональная схема такой системы диагноза, отражающая основной принцип ее построения. Тестовое воздействие от источника воздействий (ИВ) в виде вектора X одновременно поступает на объект диагностирования (ОД) и, возможно, на физическую модель объекта (ФМ). Под физической моделью объекта при этом, понимается аппаратура средств диагноза, хранящая информацию о поведении объекта в исправном и неисправных состояниях, либо другой носитель этой информации. Данный элемент рассматриваемой схемы является принципиально необходимым для анализа результата проверки. Физическая модель объекта выдает информацию о возможных технических состояниях объекта в виде возможных результатов проверки: Z - для исправного состояния и множество g/ результатов для различных неисправных состояний объекта.
Эта информация подается на блок расшифровки результатов (БРР). С объекта диагноза снимается фактический вектор выходных координат объекта Z , определяемый действительным техническим состояниям объекта, и также подается на блок расшифровки результатов. Блок расшифровки результатов производит сопоставление возможных 7, {z,-} и фактических 7 результатов проверки и формирование заключения о техническом состоянии объекта диагноза.
Таким образом, для реализации тестового диагностирования по рассмотренной выше схеме, необходима модель исправного объекта и библиотека моделей неисправных состояний объекта. Часто, такая библиотека формируется экспериментальным путем. Результат диагноза при этом формируется на основании сопоставления полученного отклика объекта на поданное воздействие с заранее установленными откликами для исправного состояния объекта и откликами объекта для различных неисправностей последнего.
Во многих случаях, информация о состоянии системы содержится в виде записи значений диагностического параметра или его отклонений от нормального или первоначального уровня в различные моменты времени. Результаты представляются в виде непрерывных функций Z (кривых) или совокупности дискретных значений {Z(f,)}. Установление соответствия между состоянием системы и протеканием отображающих функций Z(t) называется (идентификацией) распознаванием кривых. Основной идеей различных методов распознавания является отображение бесконечного многообразия значений функций в конечномерное пространство признаков, т.е. необходимо охарактеризовать все рассматриваемые кривые для различных состояний системы в единой системе признаков.
Весьма перспективными методами для распознавания (диагностики) являются методы математической логики [7]. Данные методы стали применяться в технической диагностике после работ Р. Ледли в конце семидесятых годов XX века. Особенностью их является относительная простота, так как состояния технической системы в логических методах могут иметь только два значения (наличие и отсутствие признака), которые выражаются любыми двумя символами («да» - «нет», «ложь» - «истина», 0-1). Детерминистское описание с помощью двоичных переменных, характерное для логических методов распознавания, является приближенной моделью реальной ситуации.
Рассмотрим возможный вариант построения системы тестового диагностирования, реализующий оценку технического состояния ВИП с помощью логических методов распознавания, используя для этой цели векторы входных переменных и выходных функций. Схема рассматриваемой системы приведена на рис. 2.12.
Устройство управления представляет собой базовый модуль программной части диагностического комплекса. Оно осуществляет две функции: запуск процесса диагностирования и перебор моделей неисправных состояний при постановке диагноза. Источник воздействия формирует в соответствии с содержанием выполняемой проверки необходимые воздействия X, подаваемые на диагностируемый ВИП. Эти воздействия инициируют работу ВИП, в результате чего значения его контролируемых выходных функций Z начинают изменяться во времени. В итоге на выходах ВИП формируется вектор выходных функций Z , мгновенные значения которых во многом определяются его техническим состоянием. Начиная от начала процесса работы ВИП и до его завершения, происходит запоминание мгновенных значений, как входных воздействий, так и выходных функций.
Постановка диагноза осуществляется следующим образом. Вектор выходных функций ВИП Z из памяти подается на вход преобразующего устройства. Здесь он трансформируется в вектор признаков Р соответствующих реальному состоянию ВИП и далее поступает на логическое устройство. Для постановки диагноза необходимо осуществить сравнение данного вектора Р с векторами признаков соответствующих возможным техническим состояниям ВИП {р.. Последние поступают в логическое устройство из библиотеки моделей технических состояний в процессе перебора их устройством управления. Процедура сравнения осуществляется логическим устройством в соответствии с алгоритмом определения исправного и неисправного состояния ВИП. В итоге выдаются результаты диагноза, т.е. данные о конкретном техническом состоянии контролируемого ВИП.
Методика математического моделирования процесса выпрямления ВИП в составе системы «электровоз переменного
На сегодняшний день математическое моделирование является наиболее распространенным теоретическим методом исследования различных систем, в удобной форме отражающим информацию о них. (Под системой в данном случае понимается совокупность упорядоченных объектов, в которой каким-то образом определены задачи или цели).
Математическое моделирование осуществляется путём создания специальных моделей, основанных на идентичности формы уравнений и однозначности соотношений между переменными в уравнениях оригинала и модели. По известным уравнениям, описывающим определенные процессы, либо по параметрам присутствующих в модели элементов составляется схема замещения, эквивалентная реальной. Математическое описание схемы служит для качественного построения на ее основе математической модели. В свою очередь, полученная математическая модель является основанием для создания алгоритма, моделирующего исследуемый процесс. Этот алгоритм может быть записан в виде программы для ЭВМ, при помощи которой предполагается проводить исследование данной модели.
Реализация математической модели в виде программы для ЭВМ осуществляется посредством использования специализированных программ схемотехнического моделирования. Такие программы построены по модульному принципу. Возможность замены компонентов модели в них позволяет проводить исследование нескольких вариантов исполнения частей схемы в различных сочетаниях. Для удобства пользователя работа с пакетом схемотехнических программ проводится в диалоговом режиме.
На ЭВМ производится расчет имитационной (компьютерной) модели полученной различными методами решения уравнений, т.е. определение мгновенных значений искомых параметров в любой точке электрической схемы в любой момент времени. При этом шаг за шагом обрабатывается информация, характеризующая состояние явлений в элементах цепи и процесса в цепи в целом, а также формируются величины, используемые в качестве результатов моделирования.
Результаты, полученные в процессе моделирования, представляются в наглядной форме с использованием средств компьютерной графики и сравниваются с экспериментальными данными для установления их адекватности реальным физическим процессам. Адекватность предложенной модели оценивается идентичностью соотношений между переменными в уравнениях, а также сходимостью мгновенных значений величин для оригинала и модели при равных внешних условиях.
После сравнения величин, полученных в результате математического моделирования, при необходимости вносятся уточнения, изменения и дополнения в расчетные схемы и их параметры.
Одним из наиболее известных программных продуктов для осуществления математического моделирования является комплекс схемотехнического моделирования OrCAD версии 9.2 разработанный корпорацией OrCAD [59, 60]. Данный программный продукт производит расчет электротехнических схем любой сложности путем решения дифференциальных уравнений, описывающих электрические и магнитные переходные процессы в цепях электровоза, методом Ньютона-Рафсона.
Основу системы OrCAD составляет программа PSpice, которая является наиболее известной модификацией пакета схемотехнического моделирования PSPICE (Simulation Program with Integrated Circuit Emphasis). Программа PSpice присутствовала также в составе пакета DesignLab фирмы MicroSim [59], предшественника системы OrCAD, зарекомендовав себя в качестве одной из самых надежных реализаций классического алгоритма моделирования аналоговых устройств на ЭВМ.
Основной целью данной научной работы является разработка системы послеремонтной диагностики ВИП. Её осуществление требует проведения исследований по оценке влияния различных отказов (обрывов плеч) в работе преобразователя на протекание электромагнитных процессов в силовой схеме электровоза. Исследования ло оценке их влияния только экспериментальным путём может оказаться затруднительным в силу организационных и технических причин. Аналогичные исследования могут быть проведены посредством корректной математической модели ВИП. Та же, в свою очередь, будет включена в состав обобщенной математической модели системы «электровоз переменного тока», для создания условий приближенных к реальной работе ВИП.
Вопросы математического моделирования электровоза с выпрями-тельно-инверторными преобразователями и его отдельных составляющих рассматривались и ранее в различных научных работах и публикациях [17, 41, 52, 63, 64]. Наиболее точно, работа электровоза в режиме тяги смоделирована автором научной работы [64]. Предлагаемая им математическая модель системы «Контактная сеть - электровоз переменного тока» была разработана в системе проектирования OrCAD 9.2. Эта же система проектирования будет использована для моделирования ВИП в различных технических состояниях. При этом важно учесть то, что необходимым требованием для проведения исследований по оценке влияния обрывов плеч ВИП на его работу является создание условий приближенных к реальной работе преобразователя. Поэтому модель, разработанная автором научной работы [63], используется в качестве опорной для создания обобщенной математической модели «электровоз переменного тока».
При построении модели системы «Электровоз переменного тока» принят тот же принцип разбиения общей модели системы на взаимодействующие между собой частные модели, как и при моделировании системы «Контактная сеть - электровоз» [63]. Однако так как разрабатываемая система диагностики является стационарной тестовой, а не рабочей, состав частных моделей изменяется. В обобщенной модели системы «Электровоз переменного тока» влияние контактной сети учитываться не будет, так как в данном случае в ней используется модель источника питания бесконечной мощности, имитирующего не удаленную тяговую подстанцию. Следовательно, модель контактной сети отсутствует. Основное же отличие будет заключаться в модели ВИП.
Электровоз представляет собой две связанные между собой системы: электрическую и механическую. Электрическая часть является совокупностью входящих в нее конструктивно и электрически взаимодействующих между собой моделей отдельных устройств таких как: силовой трансформатор электровоза, ВИП и цепь выпрямленного тока, в которую входят сглаживающий реактор и параллельно включенные два или три тяговых двигателя. В силу инерционности процессов, проходящих в механической части электровоза по сравнению с электрической, при создании обобщенной математической модели «электровоз переменного тока» моделью механической части пренебрегаем.
Таким образом, обобщенная математическая модель системы «электровоз переменного тока» включает в себя ряд следующих частных моделей:
1) источник питания электровоза - тяговая подстанция с номинальным напряжением 25 кВ;
2) трансформатор с одной первичной и двумя группами вторичных обмоток. Каждая из последних в свою очередь состоит из трёх секций;
3) цепь выпрямленного тока (сглаживающий реактор и два тяговых двигателя);
4) математическая модель выпрямительно-инверторного лреобразователя с учетом его исправного и неисправного состояний в режиме тяги.
Методика математического моделирования и математические модели системы «электровоз переменного тока», построенные на основе применения пакета схемотехнического моделирования OrCAD 9.2, позволяют проводить исследования сложных электромагнитных процессов протекающих в ВИП в зависимости от его технического состояния. Математическая модель источника питания электровоза переменного тока.
Принципиальная схема системы управления физической моделью ВИП
Принципиальная схема предлагаемой системы управления СУВИП приведена на рис. 4.6. Рассмотрим принцип действия входящих в неё устройств более подробно.
Диоды VD1 и VD2 входящие в схему синхронизации подключаются через разъем ХА4 к вторичным обмоткам трансформатора в источнике питания. Совместно они образуют однофазную нулевую схему выпрямления. Через резистор R2 выпрямленное напряжение поступает на инвертирующий вход компаратора DA1. Ограничение его величины осуществляется с помощью диода VD5. Ток последнего в свою очередь ограничивается резистором R2. Напряжение, подаваемое на не-инвертирующий вход компаратора DA1, задается регулировкой резистора R8, входящего в состав регулируемого делителя напряжения (R8, R7).
В те моменты, когда напряжение на неинвертирующем входе DA1 превышает напряжение, подаваемое на инвертирующий вход, напряжение на выходе компаратора положительно. В остальные моменты оно имеет отрицательную полярность. Диод VD5, ток которого ограничивает резистор R9, убирает отрицательные импульсы напряжения.
В результате в конце каждого полупериода напряжения сети на выходе данного канала синхронизации формируется короткий импульс положительной полярности Uc1. Далее он будет подан на вход ГПН.
Длительность этого импульса регулируется изменением величины сопротивления R8.
Переменное напряжение, поступающее через резистор R1 на инвертирующий вход компаратора DA2, ограничивается диодами VD3 - VD4. Ток последних ограничивает резистор R1. На выходе этого компаратора образуются разнополярные импульсы прямоугольные импульсы напряжения. Длительность каждого из них равна длительности полупериода напряжения сети. Стабилизатор VD10 убирает отрицательные импульсы и одновременно ограничивает величину положительных импульсов на уровне соответствующем уровню логической единицы. В последующем данный сигнал (Uc2) будет подаваться на один из входов ЛУ. Генератор пилообразного напряжения
Генератор пилообразного напряжения, на вход которого поступает импульсное напряжение Uc1, включает в себя источник стабильного тока (VT2, VD11, R21, R22), ключевой транзистор VT1 и накопительную емкость. Так же в состав ГПН входит неинвертирующий усилитель (DA6, R26, R27)- В момент отсутствия Uc1 транзистор VT1 заперт (его база имеет нулевой потенциал) и от генератора стабильного тока происходит заряд емкости С4. Так как изменение тока заряда весьма незначительно, то нарастание напряжения на С4 во время заряда происходит практически линейно. Емкость конденсатора выбрана таким образом, чтобы к моменту прихода импульса Uc1 напряжение на нем возрастало до уровня 1/3 от напряжения источника питания. Это повышает линейность выходного напряжения.
На операционном усилителе выполнен неинвертирующий усилитель, позволяющий решить две задачи:
1) установление требуемого значения выходного напряжения посредством регулировки сопротивления Р27;
2) исключение влияния входного сопротивления нагрузки на нормальную работу ГПН.
Решение последней задачи объясняется тем, что неинвертирующий усилитель является буферным каскадом, между собственно выходом ГПН (напряжение на С4) и подключаемой нагрузкой.
В момент прихода импульса Uc1 транзистор VT2 открывается, и через него начинает разряжаться конденсатор С4. Так как сопротивление открытого транзистора сравнительно мало разряд конденсатора происходит достаточно быстро. По окончании импульса Uc1 происходит принудительное запирание транзистора VT2 (сопротивление R20 создает смещение напряжения на базе VT2), и начинается новый цикл заряда емкости С4.
С ГПН выходные напряжения ІІГПН подаются на инвертирующие входы компараторов К1, Кг и К3. Их схемы мало отличаются друг от друга. Отличием К1 от двух последних является напряжение U п , подаваемое на неинвертирующий вход DA3 от ЦАП модуля Е440. Схемы Кг и Кз одинаковы. С помощью регулируемых делителей напряжения (R3, R5) на входе компаратора Кг и (, R6) на входе компаратора Кз осуществляется регулировка величины углов а0 и а03. Работа всех трех компараторов описана выше. Далее через компараторы 1 , Кг и Кз выходное напряжение ГПН подается на ФИ.
Схемы всех трёх формирователей импульсов идентичны. В состав каждого из них входят логическое устройство, реализованное в базисе «или-не» и выполняющее функцию «или», два конденсатора, три резистора и стабилитрон. Каждое логическое устройство состоит из двух логических элементов «или-не»: в первом ФИ это DD1.1 и DD1.2; во втором ФИ DD1.3, DD1.4; в третьем ФИ DD2.1 и DD2.2. Особенностью является то, что первые четыре элемента DD1.1, DD1.2, DD1.3 и DD1.4 выполнены в виде одной микросхемы, а два оставшиеся (DD2.1 и DD2.2), входят в состав второй микросхемы.
Формирование импульсов происходит следующим образом. В определенные моменты времени напряжения с компараторов поступают на входы соответствующих ФИ. В каждом из них по положительному фронту своего сигнала UK начинается зарядка входного конденсатора через резистор: в первом ФИ - С через R14, во втором и третьем - Сг через RI5 И СЗ через R16 соответственно. В тот же момент времени на верхнем и нижнем входах первого элемента логического устройства появляется уровень логической «1». Это приводит к появлению «1» на выходе второго элемента и вызывает начало процесса заряда второго конденсатора через второй резистор (в первом ФИ - С5 через R17, во втором и третьем - Се через Ri8 и С7 через R19 соответственно). По мере заряда обоих конденсаторов напряжения, поступающие на верхний и нижний входы первого элемента, снижаются и достигают порогового уровня логической «1». В результате на обоих входах этого элемента появляются уровни логического «О». Это ведет к появлению «О» на выходе второго элемента логического устройства. На этом формирование соответствующего импульса завершается. В дальнейшем конденсаторы разряжаются через соответствующие резисторы. Например, С5 через R17.
Первый ФИ формирует импульс ар, второй ФИ - импульс а0 и третий ФИ - импульс «03. Длительности этих импульсов определяются параметрами вторых конденсаторов (С5, С6, С7) и резисторов (R17, R18, Rig) В каждом ФИ. Стабилитроны VD12, VD13, VD14 служат для ограничения величины напряжения выходных сигналов, поступающих с выходов ФИ на входы Ао-Аг логического устройства ЛУ DD3, на уровне логической единицы (то есть в районе 4,7-5 В).
Логическое устройство DD3 (см. рис 4.6), выполнено на одной микросхеме постоянного перепрограммируемого запоминающего устройства (ППЗУ) с ультрафиолетовым стиранием типа К573РФ2. Его задачей является распределение импульсов а0, а03 и ар по плечам ВИП в соответствии со стандартным алгоритмом управления в режиме тяги, приведенным в таблице 4.2.
Микросхема имеет 16 адресных линий и 65536 ячеек памяти (216 = 65254). Каждая ячейка памяти имеет разрядность 8 бит. Поэтому в нее можно записать восьмиразрядное двоичное число. Адрес ячейки представляет собой также двоичное число. Восемь старших разрядов адреса не использованы в силу отсутствия необходимости. На адресные входы микросхемы Ао, А1, Аг поступают импульсы а0, а03, ар соответственно. На входы А3 - Аб поступают сигналы, определяющие номер текущей зоны регулирования. На вход А7 поступает сигнал Uc2, определяющий четный или нечетный полупериод.
При программировании микросхемы К573 РФ2 все данные (в том числе и адреса) представляются шестнадцатеричными числами. Чтобы на выходах микросхемы (D0 - D7) появилось содержимое нужной ячейки, необходимо на адресных входах (А0 - А7) установить ее адрес (комбинацию «О» и «1»). Запоминание содержимого ячеек памяти происходит на этапе программирования микросхемы. Предварительно составляются таблицы, показывающие то, что должно храниться в каждой ячейке. Принцип заполнения их для первой зоны регулирования напряжения ВИП виден на примере двух таблиц: таблицы 4.3 и таблицы 4.4.
