Схемы управления СПУ

Цикл статей:
Глава 1 – Устройства обеспечения безопасности движения поездов по железнодорожным стрелкам

Принципы построения контрольных и рабочих цепей схем управления СПУ

Построение схемы зависит, прежде всего, от применяемых в приводе: электродвигателя , элементов коммутации электродвигателя (рабочая цепь) и контрольной цепи.

Подавляющее большинство стрелок на сети дорог оборудуются для перевода одним электроприводом. На стрелочных переводах с подвижным сердечником крестовины используются два электропривода: один для пере­вода крестовины, второй – для перевода остряков. На стрелочных переводах высокоскоростных участков применяются два привода для перевода и запи­рания крестовины и два – для остряков /18/.

В ЭЦ на стрелочных съездах применяются спаренные электроприво­ды. Это означает, что после перевода двух стрелок съезда контрольная цепь схемы управления проходит через последовательно включенные контроль­ные контакты АП обоих приводов и, при совпадении замыкания одноимен­ных контрольных контактов, на посту будет получен контроль положения съезда в целом. Перевод двух стрелок съезда может быть при этом последо­вательный или одновременный.

Перевод и получение контроля стрелки с подвижным сердечником крестовины аналогичен переводу съезда, т. к. перевод крестовины и остряков допускается как одновременный, так и раздельный.

Учитывая то, что трехфазный асинхронный двигатель с короткозамкнутым ротором более надежен в эксплуатации по сравнению с двигателем постоянного тока с последовательным возбуждением, далее рассматриваются только схемы с трехфазным электродвигателем.

Известные функциональные схемы рабочих и контрольных цепей электропривода приведены на рис.5.1 а, б, в, г, д, е.

На рис.5.1,а – 3-проводная схема с напольным фазоконтрольным ре­версирующим устройством (ФР).

На рис.5.1,6 – 5-проводная типовая схема с отключением двигателя в СЭП контактами АП и с совмещением контрольной и рабочей цепей в общих линейных проводах.

На рис.5.1. в – 5-проводная схема с отключением Д (провода Л 1,Л2, ЛЗ) пусковой аппаратурой поста ЭЦ и независимой 2-проводной контроль­ной цепью (Л4 и Л5).

На рис.5.1.г – 6-проводная схема, из которых 3 рабочих и 3 контроль­ных.

На рис.5.1. д – 7-проводная схема с отключением Д (провода Л1,Л2, ЛЗ) пусковой аппаратурой поста ЭЦ и независимой 4-проводной контроль­ной цепью (Л4,Л5,Л6 и Л7).

На рис.5.1.е – 4-проводная схема с отключением Д (провода Л1,Л2, ЛЗ) пусковой аппаратурой поста ЭЦ и 2-проводной контрольной цепью (ЛЗ и Л4), причем один из контрольных проводов совмещен с рабочим-провод ЛЗ.

Несомненное преимущество схем 5.1.а и б перед остальными состо­ит в возможности последовательного перевода спаренных стрелок по тем же линейным проводам. Но это достигается в приводах СП ценой использования малонадежных контактов АП или размещением на поле в путевом ящике (ПЯ) дополнительных устройств (рис.5.1.а – ФР), требующих обслуживания и находящихся в сложных условиях напольной эксплуатации. Такие схемы с большим числом коммутационных датчиков и соединений между элемента­ми схемы значительно затрудняют обслуживание и поиск отказа в напольных условиях эксплуатации.

Поэтому, далее рассмотрим варианты в, г, д, е. Надо учесть также, что в зарубежных схемах чаще всего используется схема соответствующая рисунку 5.1, д.

В контрольной цепи на рис.5.1в использован модулированный час­тотный сигнал для плюсового и другой частоты для минусового положения стрелки. Такой принцип позволяет передать информацию о положении стрелки по двум проводам, однако, первоисточником информации остается датчик КУ СПУ и от его безотказности зависит работа всей контрольной цепи. Недостатком этой схемы является и то, что на поле должны быть раз­мещены электронные элементы, работа которых в напольных условиях экс­плуатации до конца не исследованы.

По двум линейным проводам можно организовать и известную типо­вую вентильную контрольную цепь, которая имеет хорошую защищенность от получения ложного контроля при отказе одного из контрольных датчиков, при этом датчики могут быть герконовые, резистивные и индуктивные элек­тронные. Однако в схеме на посту ЭЦ необходимо обеспечить защиту от случайных перепутывании линейных контрольных проводов. Это достигает­ся включением тыловых контактов контрольных реле в цепь команды на пе­ревод.

В схеме по рис.5.1 г – три контрольных линейных провода и три рабо­чих. Контрольная цепь может быть построена лишь при использовании в КУ микропереключателей с мостовым способом замыкания и размыкания кон­тактов, в которых при замыкании одной пары контактов, гарантированно ра­зомкнута вторая пара контактов.

Схема 3-проводной контрольной цепи, разработанная автором, при­ведена на рисунке 5.2. В этой схеме вторичные обмотки трансформатора включены последовательно для контроля короткого замыкания проводов Л1 и Л2.

В схеме рис.5.1. д – три рабочих и четыре контрольных линейных провода.

Четырех – проводная контрольная цепь, разработанная автором, при­ведена на рис.5.3, причем в КУ могут быть использованы контактные (в том числе герконовые) и резистивные датчики.

На рис. 5.4. представлена вторая четырех-проводная контрольная цепь, разработанная автором и рассчитанная на применение в КУ электронных бесконтактных индукционных датчиков.

На рис.5.5 приведена третья разработанная автором 4-проводная кон­трольная цепь с магистральным (или индивидуальным) питанием бескон­тактных трансформаторных датчиков КУ привода СП-6МТ.

В представленных на рисунках 5.2- 5.4 трех контрольных цепях в ка­честве контрольных реле ПК и МК используются нейтральные реле с поляр­ной избирательностью типа ПЛЗУ 2700/4500 /45/.

Для того чтобы распознать какое положение занимает стрелка, в КУ должна быть предусмотрена электромеханическая система, постоянно сле­дящая за положением каждого остряка относительно рамного рельса (в приводах серии СП – это контрольные линейки).

Как уже было сказано в п.4.2, наиболее подходящими являются КУ, установленные на каждом рамном рельсе и физически связанные со своим, остряком короткой тягой. Только в этом виде будет достоверная информация о положении стрелки. Но эта информация механическая, основанная на срав­нении взаимоположения подвижного (тяги) и неподвижного (корпуса) эле­мента КУ. Решающее значение имеет электрический контрольный элемент (датчик), который воспринимает эту механическую информацию, фиксирует ее, преобразует и по схеме передает на пост ЭЦ.

Принцип работы всех схем с независимой контрольной цепью заклю­чается в том, что отключение электродвигателя привода происходит после срабатывания контактов (датчиков) АП привода или автономных КУ и, за­тем, включения на посту ЭЦ контрольных реле, которые своими тыловыми контактами отключают от источника питания силовое управляющее двигате­лем реле.

Отсутствие контактов АП и других коммутационных устройств в ра­бочей цепи позволяет организовать постоянный контроль исправности цепи электродвигателя (в применяемой сейчас 5-проводной схеме такого нет). Это помогает электромеханику вовремя обнаружить (по сработавшей сигнализа­ции) и устранить отказ до очередного перевода стрелки. Разработанная схема управления электродвигателем привода СП-6МГ с контролем рабочей цепи представлена на рисунке 5.6.

На рис.5.7 представлена схема управления электроприводом СП-6МГ или СП-12УГ с АП на базе герконовых датчиков. Схема 4-проводная, при­чем контрольная цепь проходит по контрольному проводу Л4 и рабочему – ЛЗ. К достоинствам схемы относится: малое число линейных проводов, не­обслуживаемый АП привода, отключение электропривода при длительной работы на фрикцию.

Обе 4-проводные схемы защищены от получения ложного контроля при перепутывании линейных проводов Л4 и Л3(или Л2,или Л1) тем, что, в этом случае, низкоомные обмотки электродвигателя оказываются включен­ными параллельно высокоомным обмоткам контрольных реле.

Общим недостатком схем с рабочей цепью без контактов АП и неза­висимой контрольной цепью является то, что для перевода спаренных приво­дов требуется в два раза больше кабеля. Каждая стрелка при этом рассматри­вается как одиночная.

Общее достоинство – малое количество контактов АП и межэлемент­ных соединений находящихся на поле, что значительно облегчает работу электромехаников при подключениях, измерениях и поиске отказа.

На рис.5.8 представлена типовая 5-проводная схема управления электроприводом с двигателем переменного тока, позволяющая использовать АП с датчиками любого контактного или бесконтактного типа. Увязка элек­тропривода обеспечивается коммутационным блоком на электромеханиче­ских реле промышленного назначения, при этом аппаратурных и монтажных изменений на посту ЭЦ не требуется. Данная схема позволяет заменить все действующие на сети РЖД электроприводы с ножевыми контактами АП на бесконтактные электроприводы.

Схемы управления электроприводами высокоскоростных стрелок

Схемы управления электроприводами стрелок ( Р65 – 1/11 проект 2956) на высокоскоростных участках (например, станций Торбино и Боро- венка Окт. ж.д.) отличаются от представленных выше. Это объясняется тем, что на этих стрелочных переводах устанавливаются два привода типа В СП на подвижном сердечнике крестовины и столько же на остряках.

Работа приводов при этом параллельно – последовательная, т. е. сна­чала одновременно переводятся два привода крестовины, затем, после их ос­тановки и получения контроля, одновременно переводятся два привода ост­ряков. Кроме этого необходимо индивидуальное отключение каждого приво­да сразу по окончании перевода. Для реализации такого алгоритма использу­ется 9-проводная схема и задействовано в каждом приводе типа В СП 16 контактов АП (по 8 микропереключателей). Автором разработана методика и алгоритм поиска отказов для этой схемы, включенной сейчас в опытную эксплуатацию. Алгоритм приведен на рис.5.9.

Схема сложная для анализа и поиска отказа, с большим количеством межэлементных соединений. Применение же схем с независимой рабочей и контрольной цепями для этого случая нецелесообразно из-за большого рас­хода кабеля.

Поэтому автором разработана новая схема (рис.5.10), позволяющая параллельно-последовательно управлять любым количеством приводов по 5-проводной типовой схеме. Постовая часть схемы на рисунке не показана, т. к. она типовая.

Особенностью схемы является то, что на поле в приводе (или в путе­вом ящике) устанавливается коммутационный блок из двух электромагнит ных промышленных реле (на рисунке – ПУ, МУ), которые предназначены для коммутации асинхронных промышленных электродвигателей. Коммута­ционный блок (контактор) не обслуживается и по техническим характери­стикам подходит к требуемым на ж/д условиям эксплуатации.

Обмоткой реле управляют рабочие контакты АП привода, то есть контактор является повторителем рабочих контактов АП.

Обмотки контакторов не влияют на работу контрольной цепи, т. к. они подключены к линейному проводу Л5, не связанному с контрольной це­пью.

Для работы схемы, в АП должны быть установлены по два микропе­реключателя во всех приводах ВСП.

Достоинства схемы состоят в следующем:

• в каждом приводе используется два микропереключателя;
• при необходимости увеличения количества приводов (для стрелочных переводов марок 1/22, 1/42), постовая часть схемы остается без изменений и число линейных проводов не изменяется.

Схема разработана для стрелок высокоскоростных магистралей, но может быть использована на любых участках железных дорог для перевода как спаренных, так и одиночных стрелок.

Элементная база для контрольных цепей схем управления электроприводами

Модернизация схемы управления, чаще всего, в настоящее время, на­правлена на замену элементной базы постовой аппаратуры с релейной на бесконтактную. При этом новые схемы увязываются с применяемыми сей­час на РЖД электроприводами с ножевыми АП.

Но именно напольная часть схемы управления имеет наибольший процент отказов. Поэтому автором анализируется элементная база, которая может быть применена для напольных части схемы управления, как для действующих приводов, так и для нового СПУ.

На основании выбранной элементной базы, подходящей к условиям железнодорожной напольной эксплуатации, могут строиться новые схемы управления, возможно отличающиеся от типовых или уже разработанных в настоящее время.

Выше были представлены различные схемы построения контрольных и рабочих цепей и выяснено, что для российских условий ж/д эксплуатации лучшими является схемы, в которых нет или минимальное количество на­польных коммутационных устройств.

Очевидно, что для передачи на пост ЭЦ информации о положении стрелки и ее запирании необходимы датчики контроля. Причем эти датчики должны быть необслуживаемые и способные работать в условиях напольной эксплуатации. Если не жалеть кабель и отказаться от коммутации электро­двигателя непосредственно в приводе, то двух таких датчиков каждого по­ложения стрелки достаточно для построения схемы управления приводом.

Так как абсолютно надежных и безотказных контрольных датчиков не существует, схема должна контролировать даже маловероятные отказы используемого датчика.

При размещении КУ вне электропривода необходимо иметь также контроль запирания остряков стрелки приводом или другим запирающим устройством. При этом, чтобы не получить контроль незапертой стрелки, не­обходимо соблюдать обязательный алгоритм. То есть, в начале перевода стрелки перед снятием механического запирания и движением шибера долж­на быть отключена контрольная цепь схемы, а по окончании перевода, сна­чала стрелка должна быть механически заперта с электрическим подтвер­ждением (контрольным датчиком) запирания, и только затем может быть образована контрольная цепь схемы.

Датчики КУ настроены на отключение (не включение) контрольной цепи при не доходе прижатого остряка до рамного рельса на 4мм и более.

При выбранной в разделе 4 конструкции нового СПУ с самоблоки­рующимся винтовым редуктором, где запирание происходит в любой точке хода шибера, установка датчиков контроля запирания не требуется, что уп­рощает построение схемы управления приводом.

В данном разделе поставлена задача исследовать промышленные дат­чики пригодные для использования в стрелочном электроприводе, в авто­номных контрольных и запирающих устройствах.

Проведенные автором исследования по конструкциям, элементной базе, области применения, условиям эксплуатации различных датчиков по­зволили сделать вывод, что наиболее подходящими для применения в каче­стве контрольных датчиков являются: датчик на основе дифференциального трансформатора, датчик на основе переменного резистора и датчик на основе магнитоуправляемого герметизированного контакта.

Герметизированные магнитоуправляемые контакты (герконы) в настоящее время остаются одним из основных элементов коммутационной техники.

То, что объемы производства геркоиов в мире не снижаются, связано с рядом их неоспоримых качеств:

• полностью герметизированный металлический контакт, в связи с чем герконы могут работать в условиях повышенной влажности и запылен­ности, в агрессивных средах, при температурах от – 60°С до +150°С;
• малая мощность управления (50 – 200 мВт);
• низкое электрическое сопротивление (0,05 – 0,2 Ом);
• высокое сопротивление изоляции (1010- 1012 Ом);
• быстродействие (0,5 – 1,5 мс);
• полная гальваническая развязка цепей управления и нагрузок;
• большой срок службы (10⁶ – 10⁸ переключений);
• высокая механическая устойчивость (ударные нагрузки до 500 g, виб­рация в диапазоне частот до 3000 Гц при 15-20 g).

Ведущими производителями герконов на мировом рынке являются фирмы OKI (Япония), Hamlin (США), Standex (Великобритания), Philips, С.Р. Clare, Fujitsu (Япония), Gunther (Германия), Aleph Nippon (Япония). Единст­венный производитель герконов в России и странах СНГ – Рязанский завод металлокерамических приборов (РЗМКП).

Свойства герконов и простота их конструкции, возможность управле­ния ими посредством магнитных полей, созданных электрическим током и постоянным магнитом, позволяет применять их в реле, концевых выключате­лях, кнопках, датчиках положения, скорости и ускорения, элементах измери­тельной аппаратуры и т. д.

Общий объем продаж герконов на мировом рынке составляет 1 млрд. шт. в год. Потребность в них стабильно растет: от 10% до 15% ежегодно.

Рост объема продаж герконов связан как с увеличением производства уже выпускаемых изделий на их основе, так и с появлением новых. В первую очередь, это относится к реле и датчикам.

Особенность свойств герконов делает их практически незаменимыми в ряде областей техники. По совокупности свойств и уровню цен герконовые реле и датчики превосходят полупроводниковые аналоги, в результате этого наблюдается обратный переход от полупроводниковых устройств к устрой­ствам на герконах.

Герконы использованы автором при разработке нового АП для се­рийных электроприводов типа СП. На рисунке 5.11 представлен датчик но­вого привода СП-6МГ.

Все электронные компоненты делятся на два класса активные и пас­сивные. К классу пассивных относятся переменные резисторы и на их основе резистивные датчики. В современных датчиках проводящая дорожка вы­полнена из искусственного материала как элементов сопротивления. Эта со­временная технология используется прежде всего в одновитковых перемен­ных резисторах. Преимущества этих резисторов: очень высокий срок экс­плуатации, практически бесконечная разрешающая способность, высокая ус­тойчивость к ударным и вибрационным нагрузкам, высокое число допусти­мых оборотов.

Переменный резистор с одним механическим оборотом (угол поворо­та до 360°) используется как аналоговый датчик угла поворота. Переменные резисторы используются также в режиме «включено – выключено», при этом одно крайнее положение движка соответствует минимальному значению со­противления, другое – максимальному.

В контрольной цепи схемы управления электроприводом резистив- ный датчик работает аналогично контакту АП, но без физического разрыва цепи, т. е. разрывом в цепи питания контрольного реле с сопротивлением об­мотки, например, ЗкОм, будет являться сопротивление 50к0м и более, а включением будет сопротивление 500 Ом и менее. При максимальном сопро­тивлении датчика ток в контрольной цепи будет мал и напряжение на кон­трольном реле будет значительно меньше напряжения гарантированного вы­ключения. При минимальном значении – напряжение на реле будет не менее гарантированного напряжения включения (по тех. паспорту).

Другим элементом возможным для применения в качестве контроль­ных датчиков АП привода являются дифференциальные трансформаторы (ЬУБТ).

Аббревиатура LVDT образована от словосочетания Linear Variable Differential Transformer — линейный дифференциальный трансформатор с переменным коэффициентом передачи.

LVDT-датчики — электромеханический преобразователь, преобра­зующий прямолинейное или круговое перемещение объекта, с которым он связан механически, в электрический сигнал. К отличительным особенно­стям рассматриваемых датчиков можно причислить очень большой динами­ческий диапазон измеряемых перемещений (от десятков микрон до ±0,5 м) и возможность работать в самых жестких условиях эксплуатации. Первое сле­дует из принципа действия, а второе — из конструктивного исполнения.

Из принципа действия и конструкции LVDT-датчика следует ряд оче­видных преимуществ:

• отсутствие трущихся частей,
• высокая чувствительность,
• практически неограниченная механическая износостойкость,
• устойчивость к воздействию внешней среды.
• повторяемость (стабильность) нулевой точки.

По принципу описанного датчика работает датчик ДБА в электропри­воде СПГБ-4М в ГАД, а также в СП-6МТ, разработанном автором для ЭЦ.

Выводы

1. Модернизация АП привода в виде применения новой коммутационной элементной базы неизбежно требует разработки новых схем управления электроприводом.
2. Разделение по отдельным линейным проводам цепи управления электродвигателем привода и цепи контроля положения стрелки позволяет постоянно контролировать исправность всех элементов рабочей цепи, а также применить слаботочные бесконтактные датчики в АП привода.
3. Из всего многообразия датчиков, в АП необслуживаемого стрелоч¬ного электропривода целесообразно использовать датчики трех типов: трансформатор-ные с подвижным сердечником, магнитоуправляемые герко- новые и резистивные с переменным сопротивлением.
4. Разработанный автором АП на базе магнитоуправляемых герметизированных контактов для приводов серии СП может применяться по новой 5 – проводной схеме управления электроприводом при проектировании новых (или реконструируемых) станций, а также в действующих ЭЦ по схеме привязки.
5. В схеме управления электроприводами высокоскоростных стрелок с целью экономии кабеля, а также облегчения работы электромеханика при анализе работы схемы и сокращения времени поиска отказа, целесообразно использовать в приводе необслуживаемый коммутатор, который является повторителем рабочих контактов АП и обеспечивает пуск и отключение электродвигателя.

Список литературы

1. Резников Ю.М. Структурный синтез бесконтактного стрелочного элек¬тропривода для систем централизации с учетом требований технической диагностики. Сб. трудов ВЗИИТа, вып. 93, – 1978. – С. 32-40.
2. Шуваев В.В. Динамика движения остряков в конце перевода стрелки. РГОТУПС РФ. -М., – 2002. 9 е., библиограф. 4 назв., 1 ил., (рукопись депонирована в ВИ-НИТИ 10.10.2002, № 1834 – В2002).
3. Указание МПС № Г-304У от 04.04.96. О введении технологии измере¬ний усилий перевода стрелок и кре-стовин. – М.: МПС, – 4 с.
4. Талалаев В.И., Сараев В.В., Минаков Е.Ю., Шуваев В.В. Анализ тяговых усилий электропривода с внутрен-ним замыканием шибера. // Автоматика, связь, информа-тика № 2, – 2001. – С. 9-11.
5. Талалаев В.И., Сараев В.В., Минаков Е.Ю., Шуваев В.В. Способы установки стрелочных электроприводов ВСП-150 и СП-6. // Автоматика, связь, информатика № 6, – 2001. – С. 18-20.
6. Глюзберг Б.Э. Классификация дефектов и поврежде-ний элементов стре¬лочных переводов. – М.: – Транспорт, 1996. 87 с.
7. Минаков Е.Ю., Шуваев В.В, Танеев Э.А. Стрелочные электродвигатели переменного тока типа МСА. // В сб. «Транспорт: наука, техника, управле¬ние» № 8, ВИНИ-ТИ. М.\ – 2002, – С. 39-40.
8. Повороженко В.В. и др. Эксплуатация железных дорог. – М.: Транспорт, 1982,-С. 79-81.
9. Первые итоги внедрения новых методов управления и эксплуатации. // Железные дороги мира – 2000. – №7. – С. 8 (D; Briginshow., International Railway Journal, 2000, №3, p. 11-21).
10. Динамические испытания стрелочных электроприво-да СП-3 и его гар¬нитуры в условиях движения поездов со скоростью 200 км/ч. ЛИИЖТ, НИР, 1976г.
11. Исследование влияния взреза на элементы электропри-вода СП-6 и стре¬лочной гарнитуры ДИИЖТ, НИР, 1983г.
12. Динамические прочностные и эксплуатационные испы-тания опытной партии гарнитур для крестовин с НПК. ПГУПС, НИР, 1992г.
13. Определение динамических воздействий в условиях ре-альной эксплуа¬тации при различных скоростях подвиж-ного состава и нагрузках на ось. ПГУПС, НИР, 1996г.
14. В.А.Злобин и др. Ферритовые материалы. Л.: Энергия, 1970 — 112 с.
15. В.В.Пасынков, В.С.Сорокин. Материалы электронной техники, М.: Высшая школа, 1986 — 367 с.
16. Ю.В. Корицкий и др. Справочник по электротехниче-ским материалам. Т.З, Л.: Энергоатомиздат, 1988 — 728 с
17. Разработка нового стрелочного электропривода. ПГУПС, НИР, 2009г.
18. Железнодорожная автоматика и телемеханика. Термины и определения. ГОСТ Р 53431-2009.
19. Электонная энциклопедия http://www.krugosvet.ru.
20. Электронный каталог измерительных приборов http://www.datchik.ru
21. Сайт «Электронные компоненты» http://www.elcp.ru/
22. Большая Советская Энциклопедия http://referatu.ru/
23. ОАО “Рязанский завод металлокерамических приборов” http://www.rmcip.ru