Підвищення надійності релейної апаратури електрорухомого складу залізниць України

Размещено на http:www.allbest.ru/

Міністерство транспорту України

Дніпропетровський державний технічний університет

залізничного транспорту

Муха Андрій Миколайович

УДК 629.423.054

Підвищення надійності релейної апаратури електрорухомого складу залізниць України

Спеціальність 05.22.09 - Електротранспорт

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

Дніпропетровськ - 2001

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана на кафедрі автоматизованого електропривода Дніпропетровського державного технічного університету залізничного транспорту (ДІІТ) Міністерства транспорту України.

Науковий керівник: доктор технічних наук, професор ДУБИНЕЦЬ Леонід Вікторович, Дніпропетровський державний технічний університет залізничного транспорту Міністерства транспорту України, завідуючий кафедрою автоматизованого електропривода.

Офіційні опоненти: доктор технічних наук, професор Садовий Олександр Валентинович, Дніпродзержинський державний технічний університет Міністерства освіти і науки України, завідуючий кафедрою електрообладнання. кандидат технічних наук, доцент Гілевич Олег Ілліч Український науково-дослідний проектно-конструкторський інститут електровозобудування (УЕлНДІ) Мінпромполітики України, провідний науковий співробітник - керівник робіт з випробувань, експлуатації та ремонту електровозів.

Провідна установа: Національна гірнича академія України, кафедра “Автоматизація виробничих процесів”, Міністерства освіти і науки України, м. Дніпропетровськ.

Захист відбудеться 12.12.2001р. о 14 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д08.820.01 при Дніпропетровському державному технічному університеті залізничного транспорту за адресою: 49010, м. Дніпропетровськ, вул. Ак. В.А.Лазаряна, 2, ауд.314.

З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці Дніпропетровського державного технічного університету залізничного транспорту.

Автореферат розісланий 10.11.2001 р.

Вчений секретар

спеціалізованої вченої ради М.О. КОСТІН

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Дисертаційна робота присвячена розв'язанню задачі підвищення надійності релейної апаратури систем керування електрорухомим складом залізниць України.

Традиційні якірні електромагнітні реле, які у теперішній час поки що є основним видом реле у схемах електрорухомого складу (ЕРС), мають відносно низку надійність, вони часто не забезпечують стабільність уставки через мінливість механічних характеристик їхньої рухомої системи, впливу тряски й ударів. Ці реле потребують постійного контролю за їхньою роботою, періодичної профілактики і регулювання в процесі експлуатації. Відмови контактів реле відбуваються внаслідок забруднення та окислення їх поверхонь, утворення на них інею, несправностей у рухомої системі, що порушує нормальне натискання контактів. Тому актуальною є задача підвищення надійності релейної апаратури електровозів та електропоїздів.

З огляду на те, що вартість мікроконтролерів у теперішній час стала порівняною з вартістю традиційної елементної бази, одним із можливих шляхів вирішення поставленої задачі може бути розробка релейних пристроїв для схем керування електрорухомим складом на їхній базі. Але у теперішній час відсутня потрібна для цього теоретична база.

У дисертації вперше комплексно досліджені основні питання зв'язані з впливом специфічних умов роботи електрорухомого складу на роботу релейної апаратури, побудованої з застосуванням мікроконтролерів, розроблені рекомендації по створенню цих реле, доведено, що ці реле більш надійні, їх застосування зменшує експлуатаційні витрати.

В зв'язку з вищевикладеним тема дисертаційної роботи є актуальною.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Обраний напрямок досліджень пов'язаний з планом виконання науково-дослідних робіт у Дніпропетровському державному технічному університеті залізничного транспорту (ДІІТ) в галузі удосконалювання систем керування електрорухомим складом (номер держреєстрації 0100U004125).

Робота виконана відповідно до головних напрямків розвитку науки і техніки, закону України про основи державної політики в сфері науки і науково-технічної діяльності, державній програмі “Електротехніка” (розділ 14 “Електровозобудування”) та щорічних координаційних планів науково-дослідних, дослідно-конструкторських робіт "Укрзалізниці".

Мета і задачі дослідження. Метою роботи є підвищення надійності релейної апаратури електрорухомого складу залізниць України, що експлуатується і перспективного (який проектується).

Для досягнення поставленої мети необхідно вирішити такі задачі:

a) визначити кількісно показники надійності релейної апаратури діючого електрорухомого складу; релейний мікроконтролер елементний

b) визначити склад електричних завад, що мають місце у колах керування діючого електрорухомого складу і кількісно описати їх;

c) розробити структурні схеми релейної апаратури на базі мікроконтролерів;

d) провести аналіз впливу електричних завад на роботу релейної апаратури побудованої з застосуванням мікроконтролерів;

e) дослідити стійкість під час перехідного процесу реле на базі мікроконтролера, поданого як система автоматичного контролю (керування);

f) дослідити якість перехідних процесів у реле, побудованому з застосуванням сучасної елементної бази;

g) провести порівняльний аналіз показників надійності традиційної тягової якірної електромагнітної і запропонованої релейної апаратури;

h) дослідити шляхи підвищення надійності систем керування ЕРС, побудованих із застосуванням запропонованої релейної апаратури;

i) з використанням отриманих результатів дати пропозиції, щодо побудови з застосуванням мікроконтролерів високонадійних уніфікованих реле різноманітного функціонального призначення.

Об'єкт дослідження - надійність електрообладнання електрорухомого складу залізниць.

Предмет дослідження - підвищення надійності релейної апаратури систем керування електрорухомим складом.

Методи дослідження - для вирішення поставлених задач у роботі застосовані:

a) аналіз літературних джерел і узагальнення раніше виконаних досліджень;

b) використання методів і загальноприйнятих положень по дослідженню автоматичних систем керування;

c) методи моделювання електротехнічних систем за допомогою ЕОМ;

d) елементи класичних теорій імовірності і надійності;

e) методи техніко-економічного аналізу.

У цілому методологічною основою досліджень, що визначає їхню структуру й організацію, є концепція цілісного системного підходу до вирішення важливої проблеми - підвищенню надійності релейної апаратури схем електрорухомого складу залізниць України. Експериментальна перевірка основних положень роботи виконана на діючому ЕРС.

Обгрунтованість та достовірність наукових положень, висновків та рекомендацій підтверджується адекватно обраним математичним апаратом, проведенням експериментальних досліджень з достатньою збіжністю одержаних теоретичних та практичних результатів, позитивними результатами використання розробок на діючому електрорухомому складі.

Наукова новизна одержаних результатів. До основних наукових результатів, отриманих автором особисто, і які виносяться на захист відносяться:

1. Вперше запропонована базова структурна схема проміжного тягового реле на базі мікроконтролера, що дозволяє, використовуючи математичний апарат теорії автоматичного регулювання і результати проведеного аналізу електричних завад у схемах електрорухомого складу, вирішити задачу по забезпеченню необхідної стійкості реле щодо існуючих електричних завад, а також розробити принципові електричні схеми для усіх функціональних видів релейної апаратури з урахуванням специфічних умов роботи електроустаткування електровозів і електропоїздів.

2. Розроблені рекомендації щодо вибору сучасної елементної бази і схем уніфікованої високонадійної релейної апаратури для діючого і перспективного електрорухомого складу.

3. Дослідження показників надійності запропонованих реле на базі мікроконтролерів, їх порівняння з відповідними показниками, застосовуваних у теперішній час якірних електромагнітних тягових реле.

4. Обгрунтованість доцільності з погляду підвищення надійності систем керування електровозами й електропоїздами заміни якірних реле запропонованими релейними пристроями.

У цілому наукова новизна результатів роботи полягає в одержанні математичних співвідношень, частотних характеристик і характеристик перехідних процесів в базовій схемі проміжного тягового реле, використання яких дозволить будувати уніфіковану високонадійну релейну апаратуру на базі мікроконтролерів з урахуванням специфічних умов експлуатації електрорухомого складу залізниць, що в сукупності є суттєвим для розвитку науки в галузі електрообладнання ЕРС.

Практичне значення одержаних результатів. Запропоновані структурні і функціональні схеми, отримані співвідношення й інші результати досліджень можуть бути цілком рекомендовані при розробці релейної апаратури для схем керування електрорухомим складом із використанням мікроконтролерів, що дозволить:

a) підвищити надійність і точність реле;

b) підвищити рівень уніфікації релейних пристроїв, що виконують ті самі функції (витримка часу, контроль рівня струму і т.д.) у схемах різних видів електрорухомого складу;

c) поліпшити умови роботи і скоротити частку ручної праці виробників релейних пристроїв і ремонтного персоналу, зменшити витрату гостродефіцитних матеріалів (мідь, срібло, електротехнічна сталь);

d) підвищити надійність схем керування локомотивами, і тому підвищити безпеку руху поїздів.

Результати досліджень впроваджені на Придніпровській залізниці, в Українському науково-дослідному проектно-конструкторському інституті електровозобудування (УЕлНДІ) Мінпромполітики України, в учбовому процесі у ДІІТі.

Особистий внесок здобувача. Основні положення і результати дисертаційної роботи отримані автором самостійно. Всі публікації здійснені без співавторів.

Апробація результатів дисертації. Основні положення і результати дисертаційної роботи доповідались на: 3-ій міжнародній науково-технічної конференції "Стан і перспективи розвитку електрорухомого складу" (Новочеркаськ, ВАТ "ВЭлНИИ" і ВАТ "НПО НЭВЗ", 2000); міжнародній науково-технічної конференції "Проблеми створення нових машин і технологій" (Кременчук, КДПІ, 2000); VIII міжнародній науково-технічної конференції "Проблеми автоматизованого електропривода. Теорія і практика" (Алушта, ХДПУ, 2000); семінарі інституту електродинаміки Національної академії наук України "Перетворювачі енергії в технологічних процесах транспорту" (Дніпропетровськ, ДІІТ, 2001); спільному науковому семінарі кафедр автоматизованого електропривода, електрорухомого складу , локомотивів і теоретичних основ електротехніки (Дніпропетровськ, ДІІТ, 2001); опубліковані в друкованих роботах, у тому числі в статтях у збірниках наукових праць Дніпропетровського технічного університету залізничного транспорту.

Публікації. За основними результатами дисертації опубліковано 8 наукових робіт, в тому числі 7 статей у фахових виданнях та тези доповіді на міжнародній конференції.

Структура та обсяг роботи. Дисертація складається з вступу, п'яти розділів, висновків, що викладені на 162 сторінках машинописного тексту і які містять 81 рисунок і 4 таблиці, переліку літературних джерел із 102 найменувань, що викладений на 9 сторінках, 11 додатків на 42 сторінках. Ілюстрації (рисунки) і таблиці, які розміщені на окремих сторінках дисертації, займають 24 сторінки. Повний об'єм дисертації складає 217 сторінок.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі обґрунтована актуальність досліджень, сформульована мета і завдання досліджень, приведені основні наукові положення та результати, винесені на захист, а також відомості про практичне значення результатів роботи, їх апробацію і публікацію матеріалів дослідження.

У першому розділі розглянуті питання пов'язані з експлуатацією існуючої релейної апаратури, розглянуті перспективні напрямки її розвитку, запропонована функціональна схема релейного апарата побудованого з застосуванням сучасної елементної бази, зокрема - мікроконтролерів.

Аналіз реальних норм часу і розцінок на слюсарні роботи, показав, що внаслідок відносно невисокої надійності традиційної якірної електромагнітної релейної апаратури діючого електрорухомого складу, експлуатаційні витрати пов'язані з підтримкою її в справному стані складають майже 20-40 % вартості слюсарних робіт по обслуговуванню апаратури кіл керування, які виконуються при технічних обслуговуваннях ТО3 і поточних ремонтах ПР1, ПР2 електрорухомого складу.

Надійність існуючої тягової релейної апаратури описується такими показниками:

a) Інтенсивність відмов тягової якірної релейної апаратури визначається як , де kа = 70 - коефіцієнт, що враховує умови експлуатації апаратури на рухомому складі залізниць; , год -1 - інтенсивність відмов якірної релейної апаратури (на одну контактну групу). Тоді  год -1.

b) Середнє напрацьовування тягової релейної апаратури на відмову

, год.

c) Середній час відновлення тягової релейної апаратури год.

d) Інтенсивність відновлення тягової релейної апаратури

, год-1.

При визначенні імовірності безвідмовної роботи існуючої релейної апаратури приймаємо, що період припрацьовування релейної апаратури ЕРС складає 1000 годин. Це приблизно відповідає 3,7 місяцям роботи одиниці ЕРС на лінії при середньому часі роботи 18 годин на добу і 12 спрацьовуваннях реле за годину, тобто період роботи реле складає 5 хвилин, з яких безпосередньо під напругою воно знаходиться 2,5 хвилини.

Розрахунковий період орієнтовно приймаємо рівним семи рокам (22995 годин роботи релейної апаратури). Цей період приблизно відповідає часу пробігу електрорухомого складу між черговими заводськими ремонтами.

Тоді імовірність безвідмовної роботи існуючої релейної апаратури, у відповідності з експоненціальним законом розподілення часу безвідмовної роботи , складає .

При визначенні імовірності відновлення приймаємо в якості заданого інтервалу, який відводиться на відновлення тягового релейного апарата, одну годину. Тоді імовірності відновлення існуючої тягової релейної апаратури складає .

Тобто у цілому надійність існуючої тягової релейної апаратури не є високою.

Принциповим розв'язанням проблеми підвищення надійності релейної апаратури ЕРС є застосування в схемах ЕРС апаратів, що не потребують за своїми технічними даними поточних ремонтів, оглядів і які дають змогу істотно поліпшити показники уніфікації і надійності в порівнянні з якірними. Такими апаратами можуть бути герконові, напівпровідникові, герконо-напівпровідникові пристрої, а також пристрої на базі мікроконтролерів (однокристальних ЕОМ), з огляду на те, що вартість їх стала порівняною з вартістю традиційної елементної бази.

Запропонована релейна апаратура повинна відповідати вимогам ДСТУ 2773-94 по апаратам електричним тяговим.

Запропонована автором функціональна схема реле на сучасній елементній базі подана на рис.1.

Задачею вхідного органа є сполучення з командними (сигнальними) колами виконавчого органа реле.

Задачею виконавчого органа є виконання функцій реле. На сучасному етапі розвитку мікропроцесорної техніки в якості основного елемента виконавчого органа реле доцільно використовувати мікроконтролери. Цифрові принципи обробки сигналів дозволяють на одній і тій же елементній базі створювати релейну апаратуру з різним функціональним призначенням високого класу точності. У граничному випадку можливо створення багатофункціональних уніфікованих реле, наприклад, реле часу і проміжного у вигляді одного закінченого виробу. Як відомо, уніфікація - один з елементів підвищення надійності виробу.

Задачею вихідного органа електричних реле є комутація зовнішніх електричних кіл. У релейній апаратурі, створеній на базі напівпровідникової техніки, в якості вихідного органа можуть використовуватися твердотільні елементи комутації: біполярні і польові транзистори, тиристори, а також, при необхідності одержання розриву електричного кола, що комутується - високонадійні, швидкодіючі, малопотужні електромагнітні реле, герконові реле і герсиконові контактори.

Застосування зазначеної елементної бази дозволить скоротити витрати, пов'язані з виготовленням і експлуатацією релейної апаратури. Крім того, габарити реле на напівпровідникових елементах значно менше ніж у традиційних тягових електромагнітних реле, що дозволить використовувати різноманітні методи резервування при побудові систем керування (СУ) ЕРС. При модернізації діючого і розробці нового електрорухомого складу, доцільно застосовувати мікропроцесорну техніку, що дозволить зменшити експлуатаційні витрати і перелік типових вузлів, підвищить точність і швидкодію СУ ЕРС.

Другий розділ присвячений аналізу електричних завад присутніх у колах керування електрорухомим складом.

Завади, що існують у колах системи керування ЕРС, формально можна розбити на синусоїдальні (у вигляді одного або кінцевого, звичайно невеликого, числа синусоїдальних коливань); імпульсні (у вигляді одиночних імпульсів, що слідують друг за другом через більш-менш тривалі інтервали часу); випадкові (флуктуаційні, непередбачені, які можуть бути різноманітної форми).

За фізичною природою електричні завади в колах керування діючого ЕРС можна розділити на дві групи. До складу першої включаємо завади, створювані вузлом електроживлення системи керування. До них відносяться пульсації напруги, створювані колекторним генератором керування на ЕРС постійного струму (електровози ВЛ8, ВЛ10; електропоїзд ЭР2) і завади, створювані в результаті комутації тиристорів (або інших ключових елементів) перетворювача, що забезпечує живлення системи керування на ЕРС змінного струму (наприклад, електропоїзд ЭР9М).

Показано, що періодична складова напруги бортової мережі ЕРС, обумовлена роботою колекторного генератора кіл керування, описується спектром частот: 0 -  150 Гц, 400 - 500 Гц і 600 - 900 Гц. При цьому частота основної гармоніки періодичної складової, створеної генератором керування, визначається частотою обертання якоря, числом пар полюсів і кількістю пазів ротора генератора. Ці гармонійні складові з частотами в діапазоні від 29,15 до 1500 Гц мають амплітуди до 12 В, а в діапазоні від 100 до 350 Гц амплітуда може досягати значення 16 В. Максимальна частота періодичної складової завад, створюваної генератором керування і яка викликана зубцевою побудовою якоря генератора складає 1500 Гц.

Розкладання в ряд Фур'є кривої випрямленої напруги і відповідні розрахунки показали, що на ЕРС змінного струму з несиметричним двохнапівперіодним мостовим випрямлячем, що забезпечує живленням бортову мережу, коефіцієнт згладжування фільтра не менше 90 дозволить одержати амплітуду основної (другої) гармоніки випрямленої напруги рівнем не більш одного вольта при різноманітних кутах відмикання вентилів, що дозволить одержати практично стабільну напругу живлення схеми реле на базі мікроконтролера.

В другу групу включаємо комутаційні і наведені завади, що виникають у результаті роботи релейної та контакторної апаратури ЕРС. Комутаційні завади виражаються у вигляді перенапруг, виникаючих у колі, в яке включена котушка апарата що комутується. Наведені завади являють собою перенапруги, виникаючі в дротах кіл керування розташованих у безпосередній близькості з дротом, у який включений електричний апарат, що комутується.

Експериментальні дослідження показали, що наведені завади, які мають місце в колах керування ЕРС і виникають при комутації електричних апаратів (при проведенні експериментів використовувалися контактори: МК310 (L = 1,52 Гн), КПМ111 (L = 0,67 Гн); реле ТК11 (L = 1,03 Гн); герконове реле РПГ-8 (L = 1,19 Гн)), мають амплітуди до 2000 В, тривалість цих імпульсних завад може досягати 10 мкс.

У ході проведення експериментів було встановлено, що найбільша загальна тривалість перехідних процесів (tПП на рис.2.) і найбільша тривалість "пачки" імпульсів (tІМП) на фоні процесу (тобто без урахування одиночних сплесків) складають при комутації апаратів відповідно: для контактора МК310 - 70 мс і 20 мс; контактора КПМ111 - 30 мс і 10 мс; реле ТК11 - 12 мс і 10 мс; герконового реле 220 мкс і 200 мкс.

Статистичний аналіз результатів проведених експериментів дозволив установити, що найбільшу імовірність виникнення мають наведені завади з амплітудами більше: 500 В (РПГ-8); 1000 В (КПМ111); 500 В (ТК11); 200 В (КМ310).

Амплітуда наведених електричних завад, виникаючих при комутації контактора МК310, який має одну із найбільших індуктивностей котушки (1,52 Гн) серед електричних апаратів діючого ЕРС, досягає значень 200-300 В, при тривалості імпульсів від 0,5 до 2 мс.

У третьому розділі подані підходи до розв'язання задачі забезпечення стійкості до електричних завад релейної апаратури, побудованої з застосуванням мікроконтролерів, з урахуванням специфічних умов роботи ЕРС.

Для підвищення стійкості до електричних завад запропонованої релейної апаратури автор пропонує сигнал, який подається на вхід релейного апарата, обробляти за допомогою фільтра нижніх частот (ФНЧ) другого порядку, що складається з послідовно з'єднаних пасивного і цифрового ФНЧ, а вже потім подавати його на виконавчий орган реле.

Роль пасивного фільтра виконує вхідний орган реле (у якості якого пропонується використовувати резистивно-ємнісний дільник, див. коло R1R2R3C1 на рис.3). Цифровий фільтр, який побудований на базі мікроконтролера, є складовою частиною виконавчого органа реле.

Запропонована автором структурна схема проміжного релейного пристрою, побудованого з застосуванням мікроконтролера, показана на рис.4.

Реле подано як два незалежних контури.

До складу першого (вхідного) контуру входять: вхідний дільник (ланка з передатною функцією W1(р)), аналого-цифровий перетворювач (АЦП1), мікроконтролер, цифро-аналоговий перетворювач (ЦАП1).

Другий (вихідний) контур у своєму складі містить мікроконтролер і цифро-аналоговий перетворювач (ЦАП2).

Використовуючи метод логарифмічних амплітудно-частотних характеристик (ЛАЧХ) проведено аналіз частотних властивостей вхідного контуру проміжного реле на базі мікроконтролера.

ЛАЧХ вхідного органа реле, передатна функція якого описується виразом:

,

де ; , подана на рис.5.

Аналіз логарифмічної амплітудно-частотної характеристики вхідного органа реле (рис.5) показав, що його смуга пропускання складає 16,5 Гц (104 с-1) (див. пунктирні лінії на рис.5).

Для синтезу цифрових фільтрів використаний математичний апарат синтезу фільтрів безперервного часу. Спочатку здійснений синтез аналогового фільтра, що задовольняє поставленій задачі, а потім, застосувавши Z-перетворення і метод білінійного перетворення, здійснений перехід у дискретну область, що дозволило досліджувати цифровий фільтр низьких частот використовуючи методи, що застосовуються для дослідження безперервних систем автоматичного керування.

Проведено синтез цифрового фільтра Бесселя першого порядку, з частотою зрізу 50 Гц. Оскільки серед аналогових фільтрів ці фільтри мають найменше коливання, вони також є ідеальними у відношенні обробки ступінчастого вхідного сигналу.

Частоту дискретизації прийнято рівної 5 кГц при максимальній частоті періодичної складової електричних завад рівної 1500 Гц, що задовольняє вимогам теореми Котельникова.

Передатна функція синтезованого цифрового фільтра Бесселя першого порядку запишеться у вигляді: .

Побудову ЛАЧХ отриманого цифрового фільтра виконано у функції псевдочастоти l, використовуючи білінійне перетворення:

,

де w = jl, а l - псевдочастота, .

На рис.6 подана ЛАЧХ цифрового фільтра Бесселя нижніх частот першого порядку.

Передатна функція розімкненого контуру цифрового фільтра з урахуванням коефіцієнтів передачі АЦП1 і ЦАП1 (що лінеаризуються) запишеться у вигляді:

.

Передатна функція замкненого контуру цифрового фільтра з урахуванням коефіцієнтів передачі АЦП1 і ЦАП1 запишеться у вигляді:

.

Псевдочастотна ЛАЧХ вхідного контуру проміжного реле на базі мікроконтролера подана на рис.8.

На рис.8 подані псевдочастотні ЛАЧХ: (1) - вхідного резистивно-ємністного дільника; (2) - замкненого контуру цифрового фільтра; (3) - результуюча ЛАЧХ першого контуру гібридного реле на базі мікроконтролера.

Аналізуючи отримані характеристики (рис.9), можна відзначити, що проміжне реле на базі мікроконтролера не буде реагувати на завади, що носять періодичний характер з частотами від 29,15 Гц і вище. Так завада з частотою 29,15 Гц буде ослаблена в 24,3 раза, а частотою 1500 Гц буде ослаблена в 1000 разів. При цьому корисний сигнал, рівний напрузі (постійного струму) бортової мережі, буде ослаблений у 14,3 разу, але цього достатньо для спрацьовування реле, оскільки в цьому випадку мінімально допустима напруга бортової мережі, яка подається на вхід реле, буде знижена до рівня В, а мінімальна напруга, яка здатна викликати вмикання розглянутого релейного апарата, складає В.

Смуга пропускання першого контуру гібридного проміжного реле складає 16,5 Гц (104 с-1) (пунктирні лінії на рис.9).

До складу першого контуру реле (рис.4) входить замкнений контур цифрового фільтра. Тому, крім частотних властивостей першого контуру реле, необхідно досліджувати стійкість замкненого контуру цифрового фільтра під час перехідного процесу.

Для аналізу стійкості замкненого контуру цифрового фільтра були застосовані алгебраїчний критерій Шур-Кона і геометричний критерій Михайлова-Найквиста.

Проведені дослідження показали, що замкнений контур цифрового фільтра буде стійким, оскільки визначник Шур-Кона, отриманий із передатної функції замкненого контуру цифрового фільтра, менше нуля

Відповідно до критерію Михайлова-Найквиста розглянута система також є стійкою, оскільки годограф передатної функції розімкненого контуру цифрового фільтра (рис.10), не охоплює точку з координатами (-1;j0).

Оцінка якості перехідних процесів в розглянутому пристрої зроблена при подачі і знятті з входу реле одиничного східчастого впливу.

На рис.11 зображений графік зміни напруги на виході першого контуру реле при подачі на вхід реле напруги 50 В постійного струму.

На рис.11: (1) - крива напруги на виході першого контуру реле, (2) - вхідний імпульс напруги рівнем 50 В. Крива (1) складається з таких ділянок: А - перший цикл роботи цифрового фільтра; В - другий цикл роботи цифрового фільтра; С - крива напруги на виході вхідного органа реле до моменту включення граничного елемента АЦП1.

У розглянутому випадку команда на включення вихідного органа реле, тобто включення вихідного контуру реле (див.рис.4), виробляється після відпрацьовування першого циклу роботи цифрового фільтра. Відповідно до рис.11 включення вихідного контуру реле відбудеться через 0,015 с.

На рис.12 зображений графік зміни напруги на виході першого контуру при знятті з входу реле напруги 50 В постійного струму.

На рис.12: (1) - крива напруги на виході першого контуру гібридного реле, (2) - вхідний імпульс напруги рівнем 50 В. Графік (1) складається з наступних ділянок: А - крива напруги на виході вхідного органа реле до моменту відключення граничного елемента АЦП1; В - цикл роботи цифрового фільтра.

При використанні в якості ЦАП2 високовольтного транзисторного ключа, ввімкненого за схемою з "ОЕ", у колекторне коло якого включене герконове реле типу РПГ-8 (тобто воно є вихідним органом розглянутого релейного пристрою) і приймаючи, що транзистор включається миттєво, а час включення РПГ-8 складає біля 8 мс, максимальний час перехідного процесу в проміжному реле на базі мікроконтролера і герконового реле складає 0,023 с (при частоті вибірки 5 кГц), що відповідає сталій часу приблизно рівній 0,006 с. Дана стала часу задовольняє вимогам ДСТУ 9219-95 на апарати електричні тягові, відповідно до якого стала часу тягової апаратури не повинна перевищувати 0,05 с.

У четвертому розділі досліджені показники надійності релейної апаратури ЕРС, виконаної на сучасній елементній базі.

У дисертаційній роботі проведено розрахунок показників надійності дослідних екземплярів гібридних проміжного та реле часу, які встановлені на діючому електрорухомому складі. У табл.1 і табл.2 представлені показники надійності запропонованої і релейної апаратури діючого ЕРС. При розрахунках запропоноване гібридне проміжне реле (або реле часу) представлені як послідовно з'єднані цифрова частина і герконове реле (рис.13).

Графіки розподілу імовірності безвідмовної роботи гібридного реле часу в цілому і якірного реле часу подані на рис.14. Графіки розподілу імовірності безвідмовної роботи гібридного й електромагнітного проміжних реле не розглядаються, оскільки вони характеризуються більш високими показниками безвідмовності.

Аналіз отриманих залежностей (рис.14) показав, що імовірність безвідмовної роботи гібридного реле часу досягне величини 0,96 через 4100 годин роботи (з моменту закінчення періоду припрацьовування), а імовірність безвідмовної роботи якірного реле часу до цього моменту часу складе 0,65.

Таким чином, застосування в колах керування гібридних реле на базі мікроконтролерів і герконової апаратури, дозволить збільшити період обслуговування релейної апаратури в раз, у порівнянні з традиційними якірними реле.

На підставі даних табл.2 зазначимо, що запропоноване гібридне реле можливо відновити в рази швидше за експлуатовану у теперішній час електромагнітну тягову релейну апаратуру.

Масогабаритні показники гібридних реле на базі мікроконтролерів і герконових реле дозволяють широко застосовувати різноманітні методи резервування кіл керування ЕРС.

Розрахунки показали, що застосування роздільного резервування дозволяє підвищить рівень імовірності безвідмовної роботи системи керування одиниці електрорухомого складу через сім років (22995 годин) експлуатації в 1,59 рази в порівнянні з загальним резервуванням і в 2,79 разу в порівнянні з варіантом без резервування.

П'ятий розділ присвячений питанням практичної реалізації роботи й її техніко-економічної ефективності.

На електровозах ЧС2 приписки Депо Дніпропетровськ (ТЧ8) Придніпровської залізниці пройшли випробування в експлуатації зразки реле часу і проміжних реле, які побудовані з урахуванням результатів дисертаційної роботи. Експлуатація показала їх високі техніко-економічні показники.

Як показав досвід експлуатації експериментальної апаратури, при впровадженні запропонованих реле експлуатаційні витрати скорочуються на 80 %; економія на 1 млн. км пробігу складає приблизно 6,2 тис. грн.

ВИСНОВКИ

У результаті проведених теоретичних і практичних досліджень розроблені рекомендації по підвищенню надійності релейної апаратури електрорухомого складу побудованої з використанням сучасної елементної бази, що є важливою науково-технічною задачею, розв'язання якої сприяє підвищенню надійності і продовженню термінів експлуатації діючого рухомого складу. Основні наукові результати, висновки і практичні рекомендації дисертаційної роботи полягають в наступному:

1. Одним із варіантів вирішення задачі підвищення надійності систем керування експлуатованого і ЕРС, що проектується, може бути застосування в їхньому складі гібридних реле на базі мікроконтролерів і герконових реле.

2. У дисертації вперше комплексно досліджені основні питання, пов'язані з впливом специфічних умов експлуатації електрорухомого складу на роботу релейної апаратури, побудованої з застосуванням мікроконтролерів.

3. Встановлено, що в колах керування існують гармонійні складові завад із частотами в діапазоні від 29,15 до 1500 Гц з амплітудами до 12 В, а в діапазоні від 100 до 350 Гц амплітуда може досягати значення 16 В.

4. Дослідження показали, що випадкові завади, що мають місце в колах керування ЕРС і виникаючі при комутації електричних апаратів, мають амплітуди до 2000 В, тривалість цих імпульсних завад може досягати величини 10 мкс. При вимкнені контактора МК310, що має одну з найбільших постійних часу серед електроапаратів діючого ЕРС, амплітуди наведених завад досягають величини 200…300 В, а тривалість "пакета" імпульсних завад складає близько 20 мс.

5. Розроблена базова структурна схема тягового проміжного реле (рис.4) дозволяє оцінити роботу реле, використовуючи математичний апарат теорії автоматичного керування.

6. Розроблена методика розрахунку параметрів пасивного і цифрового фільтрів, що входять до складу релейної апаратури, з урахуванням специфічних умов роботи ЕРС може бути застосована при проектуванні стійкої до електричних завад уніфікованої релейної апаратури для ЕРС і ін. видів рухомого складу з урахуванням спектрального складу завад специфічних для них.

7. Розглянуте проміжне реле на базі мікроконтролера є стійким при перехідних процесах, а час перехідного процесу при вмиканні (вимиканні) реле задовольняє вимогам ДСТУ 2773- 94.

8. Отримані практичні і теоретичні результати щодо побудови схем реле на базі мікроконтролерів, процесів що мають місця в них при подачі і знятті напруги живлення, можуть бути використані при розробці релейної апаратури, як при створенні нового ЕРС, так і при модернізації існуючого.

9. Імовірність безвідмовної роботи гібридного реле часу на базі микроконтроллера і герконового реле через сім років експлуатації (один млн. км пробігу) більш ніж як у вісім раз вище, ніж у традиційного електромагнітного реле часу.

10. Час відновлення гібридного реле приблизно в 2,6 рази менше, за час відновлення традиційного електромагнітного реле.

11. Застосування в колах керування гібридних реле на базі мікроконтролерів і герконової апаратури, дозволить збільшити період обслуговування релейної апаратури більш ніж у десять разів у порівнянні з традиційними якірними реле.

12. Використання гібридних реле на базі мікроконтролерів і герконових реле, дозволить більш ніж у десять разів скоротити витрати (в грн.) на технічне обслуговування релейної апаратури електровозів і електропоїздів.

13. Масогабаритні показники гібридних реле на базі мікроконтролерів і герконових реле дозволяють широко застосовувати різноманітні методи резервування кіл керування ЕРС. Застосування окремого резервування підвищить рівень імовірності безвідмовної роботи системи керування одиниці електрорухомого складу через сім років (22995 годин) експлуатації приблизно в 1,6 рази в порівнянні з загальним резервуванням і в 2,8 рази в порівнянні з варіантом без резервування.

14. Практичне впровадження тягової релейної апаратури на базі мікроконтролерів підтверджує достовірність отриманих результатів. Впровадження запропонованих принципів побудови реле знижує експлуатаційні витрати, підвищує безпеку руху поїздів.

15. Результати дисертаційної роботи рекомендовані для використання при ремонтах діючого ЕРС, а також при розробці нового рухомого складу. Економія від впровадження реле на базі мікроконтролерів складає приблизно 6200 грн на один млн. км пробігу.

Основні положення та результати дисертації опубліковані у таких працях:

1. Муха А.Н. Пути совершенствования релейной аппаратуры подвижного состава железных дорог Украины. // Транспорт. Сборник научных трудов Днепропетровского государственного технического университета железнодорожного транспорта. - Днепропетровск: Наука i освіта. - 1999. - Вып.1. - С.106-111.

2. Муха А.Н. Помехоустойчивость релейной аппаратуры электроподвижного состава, построенной с применением современной элементной базы. // Транспорт. Сборник научных трудов Днепропетровского государственного технического университета железнодорожного транспорта. - Днепропетровск: Наука i освіта. - 2001. - Вып.7. - С.79-85.

3. Муха А.Н. Реле напряжения на базе микроконтроллера для систем управления электроподвижным составом. // Транспорт. Сборник научных трудов Днепропетровского государственного технического университета железнодорожного транспорта. - Днепропетровск: Наука i освіта. - 2000. - Вып.3. - С.65-71.

4. Муха А.Н. Цифровые фильтры в схемах релейной аппаратуры электроподвижного состава. // Сборник научных трудов Национальной горной академии Украины - Днепропетровск. - 2000. - № 64. - С.6-13.

5. Муха А.Н. Математическая модель, описывающая релейную аппаратуру систем управления электроподвижным составом. // Сборник научных трудов Национальной горной академии Украины - Днепропетровск. - 1999. - № 63. - С.41-48.

6. Муха А.Н. Повышение надежности эксплуатируемого электроподвижного состава путем применения релейной аппаратуры на современной элементной базе. // Вісник Харківського державного політехнічного університету. Збірник наукових праць. - Харків: ХДПУ. - 2000. - Вип.113.- С.222-224.

7. Муха А.Н. Новые технологии в комплектации схем управления электроподвижным составом. // Проблемы создания новых машин и технологий. Научные труды Кременчугского государственного политехнического института. - Кременчуг. - 2000. - Вып. 1/2000 (8). - С.254-256.

Додаткові праці:

1. Муха А.Н. Микроконтроллеры - элементная база релейной аппаратуры подвижного состава. // Тезисы ІІІ международной научно-технической конференции "Состояние и перспективы развития электроподвижного состава". - Новочеркасск. - 2000. - С.231-232.

Анотація

Муха А.М. Підвищення надійності релейної апаратури електрорухомого складу залізниць України. - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.22.09 - Електротранспорт. - Дніпропетровський державний технічний університет залізничного транспорту, Дніпропетровськ, 2001.

Дисертація присвячена підвищенню надійності релейної апаратури систем керування електрорухомим складом. У роботі визначені показники надійності і техніко-економічні показники експлуатації релейної апаратури діючого електрорухомого складу (ЕРС). Запропоновано при модернізації систем керування діючого ЕРС і проектуванні нового (перспективного) застосовувати уніфіковану гібридну релейну апаратуру на базі високонадійних мікроконтролерів.

Запропоновано базову структурну схему проміжного тягового реле на базі мікроконтролера, що дозволяє, використовуючи математичний апарат теорії автоматичного регулювання і результати проведеного аналізу електричних завад у схемах електрорухомого складу, вирішити задачі по забезпеченню необхідної стійкості реле до електричних завад.

Визначені показники надійності запропонованих реле на базі мікроконтролерів, проведене їх порівняння з відповідними показниками, застосовуваних у теперішній час якірних електромагнітних тягових реле. Проведений порівняльний аналіз підтвердив доцільність, з точки зору підвищення надійності систем керування електровозами й електропоїздами, заміни якірної релейної апаратури пропонованими релейними пристроями.

Ключові слова: надійність, реле, гібридне реле, мікроконтролер, електричні завади, стійкість до електричних завад, аналоговий і цифровий фільтри, логарифмічні частотні характеристики, перехідний процес.

Аннотация

Муха А.Н. Повышение надежности релейной аппаратуры электроподвижного состава железных дорог Украины. - Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.22.09 - Электротранспорт. - Днепропетровский государственный технический университет железнодорожного транспорта, Днепропетровск, 2001.

Диссертация посвящена повышению надежности релейной аппаратуры систем управления электроподвижным составом. В работе определены показатели надежности и технико-экономические показатели эксплуатации релейной аппаратуры действующего электроподвижного состава (ЭПС). Предложено при модернизации систем управления действующего ЭПС и проектировании нового (перспективного) применять унифицированную гибридную релейную аппаратуру на базе высоконадежных микроконтроллеров.

Предложена базовая структурная схема промежуточного тягового реле на базе микроконтроллера, которая позволяет, используя математический аппарат теории автоматического регулирования и результаты проведенного анализа электрических помех в схемах электроподвижного состава, решить задачи по обеспечению необходимой помехоустойчивости реле.

Разработаны рекомендации по выбору современной элементной базы и схем унифицированной высоконадежной релейной аппаратуры для действующего и перспективного электроподвижного состава. На основании проведенных исследований разработаны и изготовлены опытные образцы тяговых гибридных промежуточного и реле времени.

Определены показатели надежности предлагаемых реле на базе микроконтроллеров, проведено их сравнение с соответствующими показателями, применяемых в настоящее время якорных электромагнитных тяговых реле. Проведенный сравнительный анализ подтвердил целесообразность, с точки зрения повышения надежности систем управления электровозами и электропоездами, замены якорной релейной аппаратуры предлагаемыми релейными устройствами.

Проведенная экспериментальная проверка помехоустойчивости предлагаемой тяговой гибридной релейной аппаратуры в лабораторных условиях подтвердили адекватность применяемого математического аппарата и достоверность проведенных исследований.

Эксплуатация опытных образцов предлагаемой релейной аппаратуры в реальных условиях, на действующем электроподвижном составе, подтвердила её высокие технико-экономические показатели.

Ключевые слова: надежность, реле, гибридное реле, микроконтроллер, помехи, помехоустойчивость, аналоговый и цифровой фильтры, логарифмические частотные характеристики, переходной процесс.

Abstract

Muha A.N. Raising relay equipment reliability of the electric rolling-stock on railways in Ukraine. - Manuscript.

The dissertation on competition of a scientific degree of the candidate of engineering science on a speciality 05.22.09 - “Electric Transport”. Dnipropetrovsk state technical university of railway transport, Dnipropetrovsk, 2001.

The dissertation is devoted to raising the relay equipment reliability of electric rolling-stock (ERS) control systems. In the paper the reliability indexes and technico-economical indexes of operating ERS relay equipment maintenance are defined. It is offered when modernizing operating ERS control systems and developing new (perspective) ERS to apply the unified hybrid relay equipment on the basis of highly reliable microcontrollers.

The fundamental block scheme of intermediate traction relay on the basis of microcontroller is suggested. Using the mathematical means of autocontrol theory and the outcomes of the electrical noises analysis in ERS circuits the scheme gives opportunity to solve the problems in providing necessary noise stability of a relay.

As a result of the research the experimental samples of traction hybrid intermediate and time relays are developed and made. The reliability indexes of the suggest relays on the basis of microcontrollers are defined and compared with the indexes of used now anchor electromagnetic traction relays. The comparative analysis has confirmed the expediency of anchor relay equipment replacing with the suggested relay devices when reliability raising of electric locomotives and electrotrains control systems.

Key words: a reliability, relay, hybrid relay, microcontroller, noise, noise stability, analog and digital filters, logarithmic frequency characteristics, transitional process.

Муха Андрій Миколайович

Підвищення надійності релейної апаратури електрорухомого складу залізниць України

Автореферат

Підписано до друку “_____”______________2001 р.

Формат 60х84 1/16. Папір для множильних апаратів. Різограф.

Ум. др. арк. 1,0. Обл.-вид. л.1,0. Тираж 100 екз.

Замовлення №_________. Безкоштовно.

Дніпропетровський державний технічний університет залізничного транспорту

Адреса університету і ділянки оперативної поліграфії:

49010, Дніпропетровськ, вул. Ак. В.А.Лазаряна 2.

Размещено на Allbest.ru

...