Разработка блока управления зарядным устройством батарей шахтного электровоза в функции стабилизации зарядного тока

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Введение

автоматизация схема электрический

В условиях широкого внедрения прогрессивной техники и технологии на угольных и рудных шахтах существенно возросла роль подземного транспорта в обеспечении бесперебойной работы очистных и подготовительных забоев. Одним из доминирующих видов транспорта на магистральных выработках шахт является электровозный транспорт. По сравнению с другими видами механизированного шахтного транспорта (канатная откатка, конвейерный транспорт) она в подавляющем большинстве случаев наиболее экономична и производительна.

Основными требованиями к шахтному электровозному транспорту является: обеспечение заданного грузооборота и возможно меньшей трудоемкости работ путем совершенствования техники и технологии.

Главную роль в системе подземной электровозной откатки играет электровоз. В настоящее время на угольных шахтах применяют два основных типа шахтных электровозов - контактные и аккумуляторные.

Одним из составляющих элементов комплекса откатки аккумуляторными электровозами является зарядная подстанция. В настоящее время одним из главных вопросов касающихся зарядных подстанций, является быстрая и качественная зарядка аккумуляторной батареи электровоза. Решением данного вопроса может быть автоматизация процесса зарядки. Автоматизация обеспечивает повышение надежности и электробезопасности, а также снижение трудоемкости обслуживания зарядных выпрямителей и аккумуляторных батарей.

Краткая характеристика объекта и описание аппаратуры, принятой для его автоматизации

Для питания тяговых двигателей как контактных, так и аккумуляторных электровозов требуется постоянный ток. В первом случае преобразование переменного тока в постоянный производится выпрямителями тяговых подстанций, от которых питается тяговая сеть. Во втором случае преобразователи используются для заряда тяговых аккумуляторных батарей.

Для заряда аккумуляторных батарей применяют зарядные устройства, состоящие из трансформатора, выпрямителя, аппаратуры регулирования и контроля; кроме того, для заряда и перемещения батарей служат различные вспомогательные приспособления в виде механизированных зарядных стволов, кран-балок, мостовых кранов и т.п. В большинстве случаев преобразовательная (выпрямительная) подстанция и вспомогательные зарядные устройства располагаются в отдельных камерах. Зарядные преобразователи (зарядные устройства) устанавливают в камере преобразовательной подстанции электровозного гаража. Для обслуживания аккумуляторных батарей зарядные камеры снабжаются промывочными машинами, заливочными аппаратами и специальными разрядными устройствами. Оборудование зарядных камер должно быть взрывобезопасным или повышенной надежности.

Преобразовательный агрегат (выпрямитель, иногда выпрямитель-инвертор) представляет собой комплектную установку, в которую входят вентильный блок с системой охлаждения, преобразовательный трансформатор, защитно-коммутационная аппаратура, измерительные приборы, устройства автоматики и сигнализации.

Тяговые и зарядные преобразователи могут отличаться по: исполнению; схеме выпрямления; типам применяемых вентилей, способам их охлаждения; защите от токов короткого замыкания и перегрузок; регулированию напряжения; уровню автоматизации.

Существенным фактором, определяющим выбор схемы управления тягового или зарядного выпрямителя, является система обслуживания преобразовательной подстанции. На подстанциях без постоянного обслуживающего персонала должны применяться автоматизированные выпрямители.

В современных условиях для шахтного электровозного транспорта используются, как правило, полупроводниковые выпрямители. Для полупроводниковых выпрямителей могут быть использованы различные схемы выпрямления и способы регулирования напряжения. Поскольку единичная мощность рудничных тяговых и зарядных агрегатов сравнительно велика (десятки киловатт), в них применяют трехфазные выпрямители. Число тактов схемы выпрямления может быть равно или кратно числу фаз выпрямителя. Для уменьшения пульсаций выпрямленного тока и улучшения энергетических показателей в мощных выпрямителях используют схемы выпрямления с числом тактов не менее шести. В рудничных тяговых и зарядных агрегатах получили преимущественное применение шестикратные схемы выпрямления: трехфазная мостовая и шестифазная нулевая - две обратные звезды с уравнительным реактором. Последняя может оказаться предпочтительнее при больших номинальных токах (1000 А и выше) и сравнительно низком выпрямленном напряжении.

Для разрабатываемых рудничных тяговых и зарядных агрегатов с полупроводниковыми вентилями, как правило, используют трехфазную мостовую схему выпрямления. Данная схема имеет следующие преимущества по сравнению с нулевыми: в трехфазной мостовой схеме обратное напряжение на вентилях в 2 раза меньше, что позволяет применять вентили более низких классов; типовая мощность трансформатора примерно на 25% меньше, чем при шестифазной нулевой.

Недостаток мостовой схемы - ток каждый полупериод последовательно проходит через вентили двух плеч, что приводит к некоторому увеличению потерь. Однако при номинальном выпрямленном напряжении выше 200 В снижение К.П.Д. выпрямителя за счет потерь в вентилях незначительно.

Конструкции полупроводниковых выпрямительных установок в значительной степени зависят от принятой системы охлаждения. В рудничных тяговых и зарядных преобразователях применяют либо естественное, либо принудительное воздушное охлаждение. В последнем случае в преобразователь встраивается вентилятор, который создает теплоотводящий поток воздуха со скоростью 5 - 10 м/с. Вентилятор является одним из наиболее ненадежных элементов статического преобразователя. Применение принудительного охлаждения связано с определенными затратами мощности на привод вентилятора, созданием аэродинамического шума и усложнением эксплуатации.

Естественное охлаждение бесшумно, более надежно и удобно в эксплуатации, не требует затрат мощности на охлаждение. Однако менее интенсивный теплоотвод при естественном охлаждении снижает коэффициент использования полупроводниковых вентилей по току, что приводит к увеличению стоимости, объема и массы вентильного блока и преобразователей в целом.

С учетом значительного снижения стоимости силовых полупроводниковых вентилей по мере развития их производства для рудничных тяговых и зарядных преобразователей, которые эксплуатируются, как правило, без постоянного обслуживающего персонала, естественное воздушное охлаждение предпочтительнее, несмотря на указанные его недостатки.

Дальнейшее улучшение конструктивных и эксплуатационных показателей рудничных тяговых и зарядных выпрямителей возможно на основе применения в них силовых управляемых вентилей (тиристоров и симисторов) для регулирования и бесконтактной коммутации. Полностью управляемые преобразователи могут работать в режиме инвертора. Такие агрегаты могут быть использованы в качестве разрядных устройств тяговых аккумуляторов с отдачей энергии в сеть.

В настоящее время одним из главных вопросов касающихся зарядных подстанций, является быстрая и качественная зарядка аккумуляторной батареи электровоза. Решением данного вопроса может быть автоматизация процесса зарядки. Автоматизация обеспечивает повышение надежности и электробезопасности, а также снижение трудоемкости обслуживания зарядных выпрямителей и аккумуляторных батарей. На автоматизированных зарядных подстанциях предусматривают:

Дистанционное (автоматическое) включение агрегатов с возможностью местного управления при помощи кнопок, установленных на лицевой стороне зарядного устройства;

Автоматическое регулирование зарядного режима (стабилизацию тока или напряжения, программное автоматическое регулирование);

Автоматическое отключение зарядного устройства от сети: нормальное - после окончания заряда; аварийное - при срабатывании защиты от коротких замыканий, при нарушении режима охлаждения выпрямителя и при перегреве аккумуляторов;

Предотвращение работы выпрямителя в режиме холостого хода и блокировку его включения при неправильной полярности присоединения заряжаемой аккумуляторной батареи;

Сигнализацию о нормальной работе зарядных устройств и о прекращении зарядки аккумуляторных батарей.

Автоматическое регулирование процесса заряда из-за его большой длительности (3-4 ч при ускоренном заряде, 6 ч при нормальном и 10 ч при усиленном) является основным фактором, обеспечивающим снижение трудоемкости обслуживания зарядных подстанций.

Обзор существующих решений при построении устройства

В современных условиях для шахтного электровозного транспорта используются, как правило, полупроводниковые выпрямители. Они отличаются простотой обслуживания, долговечностью, высоким к. п. д. и высокими санитарно-гигиеническими показателями. Благодаря этим факторам, имеющим особое значение в шахтных условиях, полупроводниковые преобразователи постепенно вытеснили применявшиеся ранее двигатель-генераторы и ртутные выпрямители, которые сняты с производства.

Выпрямители для шахтного транспорта преимущественно выполняют на неуправляемых полупроводниковых диодах. Новые разработки рудничных тяговых и зарядных преобразователей предусматривают использование в их схемах управляемых силовых кремниевых вентилей-тиристоров, которые обеспечивают функции регулирования и быстродействующей коммутации тока.

Исходя из этих требований и прежде всего требования надежности, которое имеет особое значение в шахтных условиях, в ряде случаев оказалось целесообразным применение на рудничном транспорте полупроводниковых диодных выпрямителей с электромагнитными регулирующими устройствами.

Регулирование напряжения с высокими энергетическими показателями можно осуществить изменением вторичного напряжения преобразовательного трансформатора, например, за счет переключения числа витков его обмоток. Однако в этом случае необходимо переключающее устройство, которое в бесконтактном исполнении весьма сложно, а наличие переключающих контактов в шахтных выпрямителях нежелательно и в большинстве случаев недопустимо. Такие переключатели могут обеспечить дискретное изменение напряжения и для зарядных выпрямителей используются обычно в сочетании с другими, например электромагнитными устройствами, обеспечивающими плавное регулирование в пределах каждой ступени. Для этих целей нашли применение электромагнитные регуляторы напряжения на основе дросселей насыщения и трансформаторов с подмагничиванием.

В схеме, изображенной на рис. 2.1, применен магнитный усилитель МУ с самонасыщением или с внутренней обратной связью. У этого усилителя основные (рабочие) обмотки включены последовательно с вентилями, а подмагничивающая обмотка управления ОУН питается током I_п через регулирующий резистор РР. При протекании размагничивающего тока в обмотке ОУН сердечники МУ насыщаются каждый период с некоторой задержкой, зависящей от величины тока I_п. Практически это приводит в каждом такте к задержке протекания тока через очередной вентиль и к снижению среднего значения выпрямленного напряжения. Таким образом, изменением тока I_п достигается регулирование напряжения и, следовательно, тока нагрузки выпрямителя.

В рассмотренной выше схеме регулирования внутренняя обратная связь осуществляется последовательным включением рабочей обмотки МУ в цепь вентиля, для этого не требуется дополнительной обмотки управления. Такая обратная связь обеспечивает получение требуемого диапазона регулирования напряжения при меньших затратах активных материалов, а следовательно, при меньших габаритах, массе и стоимости МУ.

Подобная принципиальная схема применена в рудничных зарядных устройствах серии ЗУК, которые выпускаются гайским заводом «Электропреобразователь» и широко применяются в угольной промышленности для заряда тяговых аккумуляторных батарей шахтных электровозов. В этих зарядных устройствах автоматическое поддержание постоянства зарядного тока обеспечивается взаимодействием обмоток обратной связи по напряжению ОУН и обратной связи по току ОУТ. Указанные устройства отличаются высокой надежностью, а их масса и габаритный объем на 1 кВт номинальной мощности соответственно в 1,9 и 2,4 раза меньше, чем у ранее выпускавшихся зарядных выпрямителей со специальными трансформаторами типа ТМПШ с подмагничиваемыми шунтами.

Существенная особенность силового МУ зарядного устройства заключается в том, что он рассчитан на небольшую глубину регулирования выпрямленного напряжения (20-25%). Такая глубина достаточна для автоматической стабилизации тока: увеличение диапазона регулирования вызовет увеличение габаритов и типовой мощности МУ, а также ухудшение энергетических показателей.

В связи с тем, что дальнейшее улучшение конструктивных и эксплуатационных показателей зарядных выпрямителей возможно на основе применения в них силовых управляемых вентилей (тиристоров) для регулирования и бесконтактной коммутации, то для модернизации данного зарядного устройства может быть предложена замена неуправляемых вентилей и магнитного усилителя в цепях вентилей на полностью управляемые тиристоры, включенные по 6-фазной нулевой схеме.

Производство мощных тиристоров позволило создать на их базе управляемые выпрямители, которые находят все большее применение в электроприводах постоянного тока. К достоинствам тиристорных приводов можно отнести следующие:

высокий КПД, малая энергоемкость;

отсутствие контактных переключений;

высокая надежность;

высокое быстродействие, позволяющая повысить производительность рабочих механизмов;

мгновенная готовность к работе;

широкий диапазон рабочих температур;

малые весогабаритные показатели.

В настоящее время тиристорные преобразователи заняли ведущее место среди регулируемых преобразователей электрической энергии. Растет единичная мощность, расширяется область применения преобразователей. Соответственно развивается и совершенствуется техника управления ими.

Силовая часть и система управления являются главными составными частями преобразователя. Процессы, происходящие в них, неотделимы друг от друга и взаимообусловлены.

Основные требования по улучшению технических характеристик тиристорных преобразователей - повышение надежности, улучшение энергетических показателей, уменьшение искажений в питающей сети, улучшение динамических свойств - не могут быть выполнены без исследования вопросов теории систем управления.

Разработка структурной и функциональной электрических схем устройства

Для решения поставленной задачи можем сформировать следующую структурную схему разрабатываемого устройства, представленную на рис.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Структурная схема разрабатываемого устройства

На схеме приняты следующие обозначения: ФОН - формирователь опорного напряжения; СИФУ - система импульсно-фазового управления; УРБ - усилительно-развязывающий блок.

Работа схемы происходит следующим образом - на ФОН происходит сравнение заданного и действительного токов. Далее сигнал поступает на СИФУ, с которого выходят импульсы прямоугольной формы и попадают на логический элемент «И». На данный элемент также приходит сигнал от компаратора, на котором происходит сравнение действующей и заданной температур заряжаемых аккумуляторов. С логического элемента сигнал поступает на УРБ, который необходим для усиления по мощности импульсов управления, поступающих на тиристоры и гальванической развязки (по напряжению) силовых цепей (с тиристорами) и цепей управления.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Функциональная схема разрабатываемого устройства

На схеме приняты следующие обозначения: TA - трансформатор тока, UZ - преобразователь напряжения, RP1 - делитель напряжения; RP2 - делитель напряжения; DD1 - компаратор; DD2 - компаратор; DD3 - логический элемент «И» Gn1 - СИФУ; Gn2 - УРБ; RS1 - задатчик тока; RS2 - задатчик тока, соответствующего заданной температуре.

Токовый трансформатор ТА преобразует зарядный ток в соответствующее ему напряжение. Далее напряжение поступает на делитель напряжения, с которого напряжение поступает на вход компаратора, на второй вход которого поступает напряжение соответствующее заданному току. Далее после компаратора сигнал поступает на Gn1, где формируются отпирающие импульсы, после чего эти импульсы поступают на DD3.

На компаратор DD2 поступают сигналы от задатчика температуры RS2 и делителя напряжения RP2, напряжение на котором соответствует текущей температуре заряжаемой батареи.

Разработка принципиальной электрической схемы устройства

Для управления тиристорами необходимы импульсы управления, которые непосредственно на тиристоры поступают, в нашем случае с УРБ. На УРБ сигнал поступает от температурного преобразователя и от СИФУ, на которую поступает сигнал с ФОН. Сигналы, поступающие на ФОН и температурный преобразователь здесь преобразуются на операционных усилителях работающих в режиме компарации. Схема преобразования представлена на рис. 4.1.

Принцип работы схемы можно представить следующими временными диаграммами:

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Временные диаграммы формирователя управляющих импульсов

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Принципиальная электрическая схема формирователя управляющих импульсов

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

После ввода входных сигналов, которыми являются следующие - напряжение, подаваемое с трансформатора тока U_ТА, сигнал от температурного датчика о величине текущей температуры заряжаемой батарей U_TP, опорные напряжения U_оп1 и U_оп2 - соответствующие заданным значения тока заряда и температуре заряжаемой батареи, мы получаем сигналы U₁ и U₂ на выходе компараторов DA1 и DA3 соответственно (оператор 3). После этого на ФОН формируется напряжение U_оп (оператор 4), которое поступает на СИФУ и далее с СИФУ поступает сигнал U_К (оператор 5). Теперь выполняется проверка температуры заряжаемой батареи (оператор 6), и в случае перегрева батареи, т.е. не соблюдения условия U₂>0, происходит отключение трансформатора, питающего зарядное устройство, т.е. U_П=0 (оператор 9) и отключение зарядного устройства. Если же условие выполняется, то далее выполняется проверка управляющего сигнала (оператор 7), если условие выполняется, то данный сигнал поступает на УРБ.

Таким образом, для синтеза общей принципиальной электрической схемы необходимы: 1 логический элемент «И» и один логический элемент «НЕ».

В качестве основной серии цифровых микросхем принимаем серию К555, положительно зарекомендованную при создании подобных устройств и имеющих наиболее экономичные параметры по энергопотреблению.

В качестве операционных усилителей принимаю две микросхемы К140УД7.

Принимаем:

1 корпус (неполный) К555 ЛН2 (НЕ - DD1);

1 корпус (неполный) К555 ЛИ1 (2И - DD2).

Конструктивная разработка схемы

Различают два метода соединений отдельных элементов в общие схемы блоков и субблоков автоматики объемными (навесными) и печатными проводниками.

Можно выделить следующие этапы разработки и изготовления печатных плат:

1) разработка чертежей для печатных плат;

2) выбор материала и механическая обработка заготовки платы;

3) нанесение изображения схемы на плату;

4) травление плат (создание печатных проводников и монтажных площадок на плате);

5) обработка плат после травления.

При разработке данной печатной платы применяется комбинированный способ для создания токопроводящего слоя. Этот способ включает в себя химический и электрохимический способы. Комбинированный способ применяется для получения одно- и двухсторонних печатных плат в аппаратуре, к которой предъявляются более жесткие требования по надежности.

Процесс разработки чертежей печатной платы складывается из следующих операций:

компоновка печатной платы, в процессе которой находят оптимальное размещение навесных элементов на плате. Компоновку выполняют с помощью шаблонов радиоэлементов, изготовленных из бумаги или другого материала. Эти шаблоны размещают на листе с нанесенной координатной сеткой и ищут такое расположение деталей, при котором длина соединяющих их проводников была минимальна. В результате компоновки находят положения контактных площадок для подключения всех элементов. Шаблоны при этом должны быть выполнены в том же масштабе, что и чертеж;

разводка печатных проводников («трассировка»). Цель - провести проводники, соединяющие контактные площадки, так, чтобы они имели минимальную длину, и минимальное число переходов на другие слои для устранения пересечений;

оформление чертежа с соблюдением требований стандартов.

В данном проекте разработка печатной платы ведется с использованием системы автоматизированного проектирования P-CAD 2002. Порядок работы с ней следующий. Предварительно создается библиотека компонентов проектируемой схемы. Далее используя эти компоненты собирается принципиальная схема. На ее основании генерируется технологический образ печатной платы. При помощи функции Quick Route производится автоматическая трассировка печатных проводников.

Способ нанесения изображения схемы на плату зависит от материала платы и способа металлизации проводников. Существуют несколько способов, однако наибольшее применение при индивидуальном изготовлении печатных плат получили два способа, при которых рисунок на фольгированный материал наносят либо вручную, либо фотоспособом.

Для нанесения рисунка вручную вычерчивают разводку проводников на миллиметровке в масштабе 1:1 и через копирку переводят рисунок на фольгированную основу будущей платы, предварительно зачищенной и обезжиренной. После чего при помощи специального рейсфедера и быстросохнущего лака обводят рисунок на плате. При этом следят за тем, чтобы покрытие было ровным, без пропусков и подтеков.

После нанесения рисунка плату травят в специальных растворах. Наиболее распространенным является водный раствор хлорного железа, при этом оптимальная плотность раствора равна 1.3 г./см³. Время травления зависит от температуры и свежести раствора. После травления плату тщательно промывают в проточной воде, высушивают и тампоном, смоченным в растворе, удаляют защитный слой лака, покрывающий дорожки-проводники печатной платы.

Затем при необходимости на плату, обычно со стороны навесных деталей, нитрокраской наносят обозначения элементов согласно принципиальной схеме. При ручном нанесении таких надписей используют упомянутые выше рейсфедеры и лаки. После этого при необходимости дорожки шлифуют мелкозернистой шлифованной бумагой, вновь протирают тампоном, смоченным в обезжиривателе. Сверловка отверстий под выводы навесного монтажа может быть произведена как после нанесения рисунка, так и после травления платы.

Заключительным этапом изготовления печатной платы является лужение печатных проводников и монтажных площадок. Лужение может быть выполнено двумя способами: механическим (с помощью паяльника и припоя ПОС-61, а также легкоплавких сплавов путем натирания) и электрохимическим (осаждение благородных металлов на поверхности печатных проводников гальваническим путем). В индивидуальном изготовлении единичных образцов наибольшее применение получили механические способы лужения.

Техника лужения печатных проводников при помощи паяльника ничем не отличается от обычной операции паяния радиоэлектронных приборов под флюсом, в качестве которого используют спиртовой раствор канифоли.

Разводка печатных проводников (топологическая схема) и монтажная схема приведена на демонстрационном листе.

Материал основы - СФ-1-35 Г.

Лужение провести сплавом Вуда.

Паять сплавом Розе.

Маркирование элементов на плате нанести эмалью ГФ-115.

После распайки элементов плату покрыть тремя слоями лака УР-231.

Выводы

На основе анализа существующих решений и методов автоматизации процесса заряда аккумуляторных батарей шахтных электровозов, а также на основе изучения структурной схемы аппаратуры ЗУК-150/230М, разработано новое решение. Оно заключается в разработке блока управления тиристорами, которые заменили неуправляемые вентили с электромагнитным регулирующим устройством. В результате разработаны структурная, функциональная и принципиальная схемы блока управления зарядным устройством, а также спроектирована печатная плата.

Разработанное устройство позволяет более качественный процесс заряда аккумуляторов, чем базовая аппаратура. Это обеспечивается заменой неуправляемых вентилей с электромагнитным регулирующим устройством силовыми кремниевыми вентилями-тиристорами, которые обеспечивают функции регулирования и быстродействующей коммутации тока заряда. Также разработанное устройство позволяет контролировать температуру заряжаемых аккумуляторов, и в случае перегрева отключает зарядное устройство от сети, что также является не мало важным достоинством данной разработанной аппаратуры.

Список используемой литературы

Волотковский С.А. «Рудничная электровозная тяга» 4-е изд., перераб. И доп. - М.: Недра, 1981. - 389 с.

«Электрификация горных работ.»/ Под общ. ред. Волотковского С.А. - К.: Вища школа, 1980. - 448 с.

Маренич К.Н. «Асинхронный электропривод горных машин с тиристорными коммутаторами» - Донецк: ДонГТУ, 1997. - 64 с.

«Графическое изображение электрорадиосхем»: Справочник / С.Т. Усатенко, Т.К. Каганюк, Н.В. Терехова. - Киев: Техника, 1986.

«Интегральные микросхемы»: Справочник / Под ред. Тарабрина. - М., 1985.

«Справочник радиолюбителя» / Терещук Р.М. и др. - К., 1975.

«Справочник радиолюбителя-конструктора» / Белкин В.Г. и др. - М.: Радио и связь, 1983. - 560 с.

«Трансформаторы тока.»/ Афанасьев В.В. и др. - 2-е изд., перераб. и доп. - Л.: Энергоавтомизд, 1989. - 416 с.

«Резисторы». Справочник/ В.В. Дубровский и др., - М.; Радио и связь, 1991. - 528 с.

Методичні вказівки до курсового проектування з дисципліни «Технічні засоби автоматизації» (для студентів спеціальності 7.092501 «Автоматизоване управління технологічними процесами» очної та заочної форм навчання). Укладачі Нікулін Е.К., доцент, Оголобченко О.С., доцент.

Размещено на Allbest.ru