RU40263U1

RU40263U1 - VEHICLE VOLTAGE CONTROL DEVICE FOR VEHICLE DC

Info

Publication number: RU40263U1
Application number: RU2004114187/22U
Authority: RU
Inventors: Г.Ф. Гришаев; Н.И. Зуев; А.С. Иванов
Original assignee: Открытое акционерное общество "РИФ"
Priority date: 2004-05-12
Filing date: 2004-05-12
Publication date: 2004-09-10

Abstract

Полезная модель относится к электрооборудованию транспортных средств, в частности к устройствам регулирования напряжения вспомогательного генератора постоянного тока транспортного средства, например, тепловоза. Устройство регулирования напряжения вспомогательного генератора постоянного тока транспортного средства содержит первый разъем для подключения к внешним соединениям транспортного средства, второй разъем для подключения к программатору, третий разъем для соединения с бортовым компьютером транспортного средства, источник питания, измерительную и регулирующую цепь, которая включает последовательно соединенные усилитель мощности и силовой ключ. Измерительная цепь выполнена в виде последовательно соединенных своими выходами резисторного делителя напряжения, изолирующего усилителя и микроконтроллера, а также первого и второго элементов гальванической развязки, схемы защиты от перенапряжения, индикатора срабатывания защиты и цифрового индикатора напряжения вспомогательного генератора транспортного средства. Устройство обладает повышенной моральной стойкостью и способностью к дальнейшей модернизации, не требующей значительных средств и времени. Устройство позволило обеспечить модернизацию управляющего электрооборудования тепловоза, осуществляющего управление с помощью микропроцессорной системы.The invention relates to the electrical equipment of vehicles, in particular, to voltage control devices of an auxiliary DC generator of a vehicle, for example, a diesel locomotive. The voltage control device of the auxiliary DC generator of the vehicle contains a first connector for connecting to the vehicle’s external connections, a second connector for connecting to the programmer, a third connector for connecting to the vehicle’s on-board computer, a power source, a measuring and control circuit, which includes a series-connected amplifier power and power key. The measuring circuit is made in the form of a resistor voltage divider, an isolating amplifier and a microcontroller connected in series with its outputs, as well as the first and second elements of the galvanic isolation, overvoltage protection circuit, protection operation indicator and digital voltage indicator of the auxiliary vehicle generator. The device has increased moral stability and the ability to further modernization, which does not require significant funds and time. The device allowed for the modernization of the control electric equipment of the diesel locomotive, which controls using a microprocessor system.

Description

Полезная модель относится к электрооборудованию транспортных средств, в частности к устройствам регулирования напряжения вспомогательного тока транспортного средства, например, тепловоза.The utility model relates to the electrical equipment of vehicles, in particular to devices for regulating the voltage of the auxiliary current of the vehicle, for example, a locomotive.

Заявляемое устройство регулирования напряжения предназначено для стабилизации напряжения на выходе вспомогательного генератора тепловоза с напряжением бортовой сети НОВ с точностью ±1% и устанавливается в модернизируемых тепловозах, оборудованных автоматическими системами управления и регулирования.The inventive voltage control device is designed to stabilize the voltage at the output of the auxiliary generator of the diesel locomotive with the voltage of the on-board network NOV with an accuracy of ± 1% and is installed in modernized diesel locomotives equipped with automatic control and regulation systems.

При создании конструкции данного устройства ставились задачи, связанные с модернизацией управляющего электрооборудования тепловозов, а именно, разработанное техническое решение должно обладать:When creating the design of this device, tasks were posed related to the modernization of the control electric equipment of diesel locomotives, namely, the developed technical solution should have:

- возможностью управления с пульта оператора ЭВМ в тепловозах, оборудованных микропроцессорной системой управления;- the ability to control from a computer operator’s console in diesel locomotives equipped with a microprocessor control system;

- возможностью оптимизации параметров регулирования путем изменения программы процессора регулятора с использованием дополнительного разъема на панели регулятора напряжения вспомогательного генератора (РНВГ) для подключения программатора;- the ability to optimize control parameters by changing the program of the controller processor using an additional connector on the panel of the voltage regulator of the auxiliary generator (RNVG) for connecting the programmer;

- повышенной моральной стойкостью и способностью к дальнейшей модернизации, не требующей значительных затрат времени и средств.- increased moral stability and the ability to further modernization, which does not require a significant investment of time and money.

Широко известны различные конструкции регуляторов напряжения, используемые в генераторных установках транспортных средств. Известные по предшествующему уровню техники конструкции регуляторов напряжений, как правило, используются автономно, весьма консервативны Various designs of voltage regulators used in vehicle generator sets are widely known. Designs of voltage regulators known in the prior art are typically used autonomously and are very conservative.

в части изменения функциональной схемы, и попытки их модифицировать для использования в автоматизированных сложных объектах приводят к значительным затратам времени и средств.in terms of changing the functional diagram, and attempts to modify them for use in automated complex objects lead to significant costs of time and money.

Так, известны импульсные регуляторы напряжения [1, 2], предназначенные для использования в генераторных установках транспортных средств, каждый из которых содержит измерительное звено, источник опорного напряжения, подключенные между плюсовыми и минусовыми проводами регулятора, схему сравнения, входы которой подсоединены к выходам источника опорного напряжения и измерительного звена, силовой транзистор, эмиттер которого подключен к плюсовому проводу, управляемый мультивибратор, элемент И, катушка индуктивности, диод, конденсатор, частотный компаратор и датчик частоты искрообразования.So, pulse voltage regulators [1, 2] are known for use in vehicle generator sets, each of which contains a measuring link, a voltage reference source connected between the plus and minus wires of the regulator, a comparison circuit whose inputs are connected to the outputs of the reference source voltage and measuring link, power transistor, the emitter of which is connected to the positive wire, controlled multivibrator, element And, inductor, diode, capacitor, frequent Comparator and spark frequency sensor.

В данных известных изобретениях решена задача повышения точности поддержания напряжения бортовой сети автотранспорта, за счет того, что использование импульсного источника с инвертированием напряжения в схеме регулятора позволило снизить мощность, рассеиваемую на силовом транзисторе. Однако возможностью обеспечения высокого качества регулирования напряжения и достаточной надежности, а тем более возможностью использования в автоматизированных сложных транспортных объектах данные конструкции не обладают.In these well-known inventions, the problem of increasing the accuracy of maintaining the voltage of the on-board network of vehicles has been solved, due to the fact that the use of a pulsed source with voltage inversion in the controller circuit made it possible to reduce the power dissipated by the power transistor. However, these designs do not have the ability to provide high quality voltage regulation and sufficient reliability, and even more so the possibility of use in automated complex transport objects.

Известно устройство автоматического регулирования параметров тепловоза - бесконтактный регулятор напряжения БРН-ЗВ [3], предназначенный для поддержания напряжения вспомогательного генератора тепловоза (75±1)В в рабочем диапазоне изменения частоты вращения и тока нагрузки якоря.A device for automatically controlling the parameters of a locomotive - a non-contact voltage regulator BRN-ZV [3], is designed to maintain the voltage of the auxiliary generator of the locomotive (75 ± 1) V in the operating range of changes in the speed and current of the armature load.

Данный регулятор напряжения состоит (см. фиг.1) из измерительного и регулирующего органов. В состав измерительного органа входят стабилитроны Д3, Д6, Д4, Д5, транзисторы T1, T2, Т3, резисторы R1, R3, R4, R5, потенциометр R2 и конденсатор С1.This voltage regulator consists (see figure 1) of the measuring and regulatory organs. The measuring body includes Zener diodes D3, D6, D4, D5, transistors T1, T2, T3, resistors R1, R3, R4, R5, potentiometer R2 and capacitor C1.

Измерительный орган собран по мостовой схеме с транзистором Т1 в диагонали моста.The measuring body is assembled on a bridge circuit with a transistor T1 in the diagonal of the bridge.

Напряжение на стабилитроне Д3 (Д6) сравнивается с напряжением на резисторе R3 и части резистора R2 (между движком резистора R2 и «минусом» схемы), пропорциональным напряжению вспомогательного генератора. Стабилитрон Д6 является резервным. Потенциометр R2 служит для настройки регулятора на заданное напряжение.The voltage at the Zener diode D3 (D6) is compared with the voltage at the resistor R3 and part of the resistor R2 (between the resistor engine R2 and the "minus" of the circuit), proportional to the voltage of the auxiliary generator. The Zener diode D6 is a backup. Potentiometer R2 is used to adjust the regulator to a given voltage.

Регулирующий орган состоит из тиристоров Т4, Т5, диодов Д8-Д13, Д16, Д18, резисторов R6-R9, стабилитронов Д14, Д15, Д17, дросселей Др1, Др2 и конденсаторов С2-С4. Нагрузкой регулирующего органа является обмотка возбуждения вспомогательного генератора.The regulatory body consists of thyristors T4, T5, diodes D8-D13, D16, D18, resistors R6-R9, Zener diodes D14, D15, D17, chokes Dr1, Dr2 and capacitors C2-C4. The load of the regulatory body is the excitation winding of the auxiliary generator.

Регулирующий орган представляет собой мультивибратор (фиг.3) на тиристорах Т4, Т5. При появлении напряжения на обмотке возбуждения появляется напряжение на аноде тиристора Т4, тиристор Т4 открывается. Конденсатор С2 заряжается. При определенном напряжении заряда конденсатора С2 открывается тиристор Т5. Конденсатор разряжается через открывшийся тиристор Т5, при этом напряжение обратной полярности прикладывается к тиристору Т4, и он закрывается. Начинается перезаряд конденсатора С2 через обмотку возбуждения и открытый тиристор Т5. В результате тиристор Т4 открывается, а тиристор Т5 закрывается разрядным током конденсатора С2. Процесс повторяется многократно. Устанавливается режим автоколебаний с частотой, определяемой резистором R7 и конденсатором С2.The regulatory body is a multivibrator (figure 3) on the thyristors T4, T5. When voltage appears on the field winding, voltage appears on the anode of thyristor T4, thyristor T4 opens. Capacitor C2 is charging. At a certain charge voltage of the capacitor C2, the thyristor T5 opens. The capacitor is discharged through the opened thyristor T5, while the voltage of reverse polarity is applied to the thyristor T4, and it closes. The recharging of the capacitor C2 through the field winding and the open thyristor T5 begins. As a result, thyristor T4 opens, and thyristor T5 is closed by the discharge current of capacitor C2. The process is repeated many times. The self-oscillation mode is set with a frequency determined by the resistor R7 and the capacitor C2.

В схеме управления регулятор работает следующим образом. После пуска дизеля напряжение вспомогательного генератора увеличивается пропорционально частоте вращения якоря. Между движком потенциометра R2 и «минусом» схемы появляется напряжение вспомогательного генератора. При этом к переходу база-эмиттер транзистора Т1 прикладывается разность потенциалов между движком потенциометра R2 и анодом стабилитрона Д3. Когда напряжение вспомогательного генератора In the control circuit, the regulator operates as follows. After starting the diesel engine, the voltage of the auxiliary generator increases in proportion to the frequency of rotation of the armature. Between the potentiometer engine R2 and the "minus" of the circuit, the voltage of the auxiliary generator appears. In this case, the potential difference between the engine of the potentiometer R2 and the anode of the Zener diode D3 is applied to the base-emitter junction of the transistor T1. When the voltage of the auxiliary generator

достигнет 75В, открывается транзистор Т1, что приводит к открытию транзисторов Т2 и Т3. Открытый транзистор Т3 шунтируется переход управляющий электрод-катод тиристора Т4.reaches 75V, the transistor T1 opens, which leads to the opening of transistors T2 and T3. An open transistor T3 is shunted transition control electrode-cathode of thyristor T4.

Ток управления тиристора Т4 резко уменьшается благодаря наличию стабилитрона. При этом тиристор Т4 включиться не может. Это приводит к уменьшению тока возбуждения и снижению напряжения вспомогательного генератора. Напряжение снижается до тех пор, пока напряжение в измерительной диагонали моста, т.е. на входе транзистора Т1, не уменьшится настолько, что транзистор Т1, а следовательно, и транзисторы Т2 и Т3 закрываются. После этого тиристор Т4 открывается, и процесс повторяется.The control current of the thyristor T4 decreases sharply due to the presence of a zener diode. In this case, the thyristor T4 can not turn on. This leads to a decrease in the excitation current and a decrease in the voltage of the auxiliary generator. The voltage decreases until the voltage in the measuring diagonal of the bridge, i.e. at the input of transistor T1, it will not decrease so much that transistor T1, and therefore transistors T2 and T3, are closed. After that, the thyristor T4 opens, and the process repeats.

Процесс регулирования напряжения вспомогательного генератора имеет колебательный характер, частота которого определяется его электрическими и механическими параметрами.The process of regulating the voltage of the auxiliary generator is oscillatory in nature, the frequency of which is determined by its electrical and mechanical parameters.

Основным недостатком данного известного регулятора является значительные затраты средств и времени при возможной его модернизации для использования в тепловозах, оборудованных микропроцессорной системой управления. Кроме этого, данная известная конструкция недостаточно надежна и не обеспечивает высокое качество регулирования напряжения.The main disadvantage of this known controller is the significant cost and time with its possible modernization for use in diesel locomotives equipped with a microprocessor control system. In addition, this known design is not reliable enough and does not provide high quality voltage regulation.

Известен предназначенный для тепловоза 2ТЭ116 регулятор напряжения тиристорный [4], который предназначен для поддержания в заданных пределах напряжения стартер-генератора (вспомогательного генератора) в генераторном режиме при изменениях в широких пределах его частоты вращения и нагрузки и состоит из измерительного и регулирующего органов. Принципиальная электрическая схема этого устройства приведена на фиг.2.A thyristor voltage regulator designed for a diesel locomotive 2TE116 is known [4], which is designed to maintain the voltage of the starter-generator (auxiliary generator) in a predetermined range in the generator mode with changes over a wide range of its speed and load and consists of measuring and regulating organs. Schematic diagram of this device is shown in figure 2.

В измерительном органе происходит сравнение регулируемого напряжения с эталонным. Он включает в себя стабилитроны Д21-Д24, на которых формируется эталонное напряжение, подключенные к делителю In the measuring body, the regulated voltage is compared with the reference voltage. It includes Zener diodes D21-D24, on which a reference voltage is generated, connected to the divider

напряжения R15, R1, R2, R3, питающемуся от стартер-генератора. Регулирующий орган преобразует поступающий с измерительного органа сигнал в серию импульсов, коэффициент заполнения которых пропорционален величине этого сигнала. Регулирующих орган состоит их двух мультивибраторов, собранных на тиристорах.voltage R15, R1, R2, R3, powered by a starter generator. The regulatory body converts the signal coming from the measuring body into a series of pulses, the duty cycle of which is proportional to the value of this signal. The regulatory organ consists of two multivibrators assembled on thyristors.

Вспомогательный мультивибратор собран на тиристорах Т1 и Т2 основной мультивибратор - на тиристорах Т1 и Т3-Т4 и выполняет функции модулятора ширины импульсов. Тиристор Т4 этого мультивибратора является одновременно выходным усилителем мощности. Тиристор Т3 обеспечивает открытие тиристора Т4 при пониженном напряжении аккумуляторной батареи во время пуска дизеля. С выхода усилителя импульс поступает в обмотку возбуждения стартер-генератора, где демодулируется с помощью диода Д8.The auxiliary multivibrator is assembled on thyristors T1 and T2; the main multivibrator is assembled on thyristors T1 and T3-T4 and performs the functions of a pulse width modulator. Thyristor T4 of this multivibrator is simultaneously an output power amplifier. Thyristor T3 provides the opening of the thyristor T4 with a reduced battery voltage during the start of the diesel engine. From the output of the amplifier, the pulse enters the excitation winding of the starter-generator, where it is demodulated using the D8 diode.

Регулятор напряжения работает следующим образом. При включении контактора КРН2, его главные контакты подают напряжение от аккумуляторной батареи на стабилитроны Д25-Д30 и Д31-Д35, включенные в цепи управления тиристорами Т2 и Т3 соответственно.The voltage regulator operates as follows. When the KPH2 contactor is turned on, its main contacts supply voltage from the battery to the Zener diodes D25-D30 and D31-D35 included in the control circuits of thyristors T2 and T3, respectively.

Происходит пробой указанных стабилитронов и возникающие при этом токи управления открывают оба тиристора. При открытии тиристора Т3 его анодный ток, проходя по цепи управляющего электрода тиристора Т4, в свою очередь открывает последний. При открытии тиристора Т4 тиристор Т3 закрывается, так как напряжение на нем становится меньше напряжения включения. Открытие тиристоров Т2 и Т4 создает цепи заряда конденсаторов С2 и С3-С4 и они заряжаются до напряжения аккумуляторной батареи.A breakdown of the indicated zener diodes occurs and the resulting control currents open both thyristors. When the thyristor T3 is opened, its anode current, passing through the control electrode circuit of the thyristor T4, in turn opens the last. When thyristor T4 is opened, thyristor T3 closes, since the voltage on it becomes less than the switching voltage. The opening of thyristors T2 and T4 creates a charge circuit of the capacitors C2 and C3-C4 and they are charged to the voltage of the battery.

После пуска дизеля контактор регулятора напряжения (КРН) подает питание на обмотку возбуждения статер-генератора, где появляется нарастающее напряжение. Схема регулятора рассчитана так, что при открытом тиристоре Т4 возбуждение достигает величины, при которой напряжение стартер-генератора превышает НОВ. При напряжении выше After starting the diesel engine, the voltage regulator contactor (RRC) supplies power to the excitation winding of the stater generator, where an increasing voltage appears. The controller circuit is designed so that when the thyristor T4 is open, the excitation reaches a value at which the voltage of the starter-generator exceeds NOV. With voltage higher

НОВ происходит пробой стабилитронов Д21-Д24 в цепи управляющего электрода тиристора Т1 и последний открывается. После открытия тиристора Т1 напряжение конденсаторов С3, С4 оказывается приложенным к тиристору Т4 в обратном направлении и поэтому тиристор Т4 закрывается. Одновременно через открывшийся тиристор Т1 напряжение конденсатора С2 закрывает тиристор Т2. Конденсатор С2, разрядившись, перезаряжается от источника питания через тиристор Т1 и резисторы R6, R7. При напряжении на конденсаторе С2, достаточном для пробоя стабилитронов Д25-Д30, открывается тиристор Т2. Разрядный импульс конденсатора С2 закрывает тиристор Т1. После окончания разряда конденсатора С2 тиристор Т1 снова открывается и зарядный импульс конденсатора С2 закрывает тиристор Т2.NOV there is a breakdown of the Zener diodes D21-D24 in the control circuit of the thyristor T1 and the latter opens. After opening the thyristor T1, the voltage of the capacitors C3, C4 is applied to the thyristor T4 in the opposite direction and therefore the thyristor T4 is closed. At the same time, through the opened thyristor T1, the voltage of the capacitor C2 closes the thyristor T2. The capacitor C2, discharged, is recharged from the power source through the thyristor T1 and resistors R6, R7. When the voltage across the capacitor C2 is sufficient for the breakdown of the Zener diodes D25-D30, the thyristor T2 opens. The discharge pulse of the capacitor C2 closes the thyristor T1. After the discharge of the capacitor C2, the thyristor T1 opens again and the charging pulse of the capacitor C2 closes the thyristor T2.

Таким образом, в мультивибраторе, собранном на тиристорах Т1 и Т2, возникают автоколебания с частотой f1, определяемой постоянной времени цепи разряда конденсатора С2. При закрытии тиристора Т4 в обмотке возбуждения стартер-генератора возникает э.д.с. сажаясь через диод Д8. Уменьшение тока возбуждения приводит к снижению напряжения стартер-генератора. Когда оно станет несколько меньше НОВ, то напряжение на входе цепи управления тиристором Т1 становится недостаточным для пробоя стабилитронов Д21-Д24 и тиристор Т1 закрывается. Автоколебания вспомогательного мультивибратора прекращаются. С этого момента тиристор Т2 остается открытым, создавая цепь заряда конденсатора С2 через резисторы R5-R16. В процессе заряда конденсатора потенциал зажима 3 становится благодаря диоду Д2 выше потенциала измерительного органа и, когда он станет достаточным для пробоя стабилитронов Д31-Д35, открывается тиристор ТЗ, затем Т4. ток возбуждения увеличивается и напряжение стартер-генератора снова повышается, становясь несколько выше 110В. Далее процесс повторяется.Thus, in a multivibrator assembled on thyristors T1 and T2, self-oscillations occur with a frequency f1 determined by the time constant of the discharge circuit of capacitor C2. When thyristor T4 is closed, an emf occurs in the excitation winding of the starter-generator landing through a diode D8. A decrease in the excitation current leads to a decrease in the voltage of the starter-generator. When it becomes slightly less than NOV, the voltage at the input of the thyristor T1 control circuit becomes insufficient for the breakdown of Zener diodes D21-D24 and the thyristor T1 closes. Self-oscillations of the auxiliary multivibrator stop. From this moment, the thyristor T2 remains open, creating a charge circuit of the capacitor C2 through resistors R5-R16. In the process of charging the capacitor, the potential of the clamp 3 becomes due to the diode D2 higher than the potential of the measuring organ and, when it becomes sufficient for the breakdown of the Zener diodes D31-D35, the thyristor TZ opens, then T4. the excitation current increases and the voltage of the starter-generator rises again, becoming slightly higher than 110V. The process is then repeated.

Таким образом, при установившемся напряжении стартер-генератора возникает устойчивый автоколебательный режим мультивибратора Thus, with a steady voltage of the starter-generator, a stable self-oscillating multivibrator mode occurs

на тиристорах Т1 и Т3-Т4 с частотой колебаний f2, определяемой параметрами цепи возбуждения генератора и схемы регулятора напряжения.on thyristors T1 and T3-T4 with an oscillation frequency f2 determined by the parameters of the generator excitation circuit and the voltage regulator circuit.

Среднее значение тока возбуждения стартер-генератора зависит от длительности открытого и закрытого состояния тиристора Т4 или от так называемой скважности импульсов тока через тиристор Т4. Чем меньше скважность этих импульсов, т.е. чем больше времени открыт тиристор, тем больше среднее значение тока возбуждения. При увеличении частоты вращения якоря стартер-генератора скважность импульсов тока через тиристор Т4 увеличивается, а среднее значение тока возбуждения уменьшается.The average value of the excitation current of the starter generator depends on the duration of the open and closed state of the thyristor T4 or on the so-called duty cycle of the current pulses through the thyristor T4. The lower the duty cycle of these pulses, i.e. the more time the thyristor is open, the greater the average value of the excitation current. With increasing rotation frequency of the starter-generator armature, the duty cycle of the current pulses through the thyristor T4 increases, and the average value of the excitation current decreases.

Чем точнее работа измерительного органа, чем быстрее действует система, тем меньше амплитуда колебаний напряжения относительно номинального.The more accurate the operation of the measuring body, the faster the system operates, the smaller the amplitude of the voltage fluctuations relative to the nominal.

Недостатки этого регулятора напряжения состоят в следующем. Применение тиристоров в указанном известном регуляторе напряжения позволило сделать качественный скачок в развитии силовой электроники. Однако присущие им недостатки в дальнейшем стали сдерживающими факторами в этой области.The disadvantages of this voltage regulator are as follows. The use of thyristors in this well-known voltage regulator made it possible to make a quantum leap in the development of power electronics. However, their inherent shortcomings subsequently became constraining factors in this area.

Принципиальными недостатками тиристоров является неполная управляемость и сравнительно низкое быстродействие. Это проявляется в необходимости принудительной коммутации тиристора при его выключении.The principal disadvantages of thyristors are incomplete controllability and relatively low speed. This is manifested in the need for forced switching of the thyristor when it is turned off.

В результате усложняется управление регулятором напряжения, а дальнейшая модернизация этой конструкции потребует значительных затрат времени и средств.As a result, the control of the voltage regulator is complicated, and further modernization of this design will require significant time and money.

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому объекту является регулятор напряжения вспомогательного генератора, изготовленные по конструкторской документации ОАО «Пензенского завода точных приборов» [5], структура которого показана на фиг.4.The closest in technical essence to the claimed object is the voltage regulator of the auxiliary generator, made according to the design documentation of JSC "Penza precision instrument factory" [5], the structure of which is shown in Fig.4.

Этот регулятор является комплектующим изделием тепловоза, предназначен для стабилизации напряжения стартер-генератора тепловозов с напряжением бортовой сети НОВ и включает разъем для подключения регулятора к электрическим цепям тепловоза, ячейку управления и ячейку ключа (фиг.4). Ячейка управления содержит источник питания, формирователь ШИМ-сигнала, генератор пилообразного напряжения (опорный генератор), схему управления защитной бортовой сети от забросов напряжения. Ячейка ключа включает усилитель мощности, силовой транзистор, тиристор короткозамыкателя, реле управления тиристором. Силовой ключ выполнен в виде шести параллельно включенных полевых транзисторов типа KII809A(VT3A1). Каждый силовой транзистор управляется индивидуально усилителем мощности.This regulator is a component product of a diesel locomotive, designed to stabilize the voltage of the starter-generator of diesel locomotives with the voltage of the onboard network NOV and includes a connector for connecting the regulator to the electric circuits of the diesel locomotive, a control cell and a key cell (Fig. 4). The control cell contains a power source, a PWM signal driver, a sawtooth voltage generator (reference generator), a control system for the protective on-board network against voltage surges. The key cell includes a power amplifier, power transistor, short-circuit thyristor, thyristor control relay. The power switch is made in the form of six field-effect transistors KII809A (VT3A1) connected in parallel. Each power transistor is individually controlled by a power amplifier.

Эти регуляторы напряжения могут применяться в составе микропроцессорной системы управления тепловозов.These voltage regulators can be used as part of a microprocessor control system for diesel locomotives.

Недостатки этого регулятора мощности обусловлены следующими причинами.The disadvantages of this power controller are due to the following reasons.

Используемые в силовом ключе резистора полевые транзисторы имеют значительную мощность, потребляемую на управление и сравнительно низкое быстродействие. Силовой ключ, выполненный на полевых транзисторах, испытывая в регуляторе самые максимальные динамические и статические электрические нагрузки, быстро выходит из строя. Это говорит о том, что данный регулятор не обладает достаточной надежностью, в настоящий момент морально устарел и не удовлетворяет жестким требованиям по экономии энергии.The field-effect transistors used in the power key of the resistor have significant power consumed for control and a relatively low speed. A power switch made on field-effect transistors, experiencing the most maximum dynamic and static electrical loads in the controller, quickly fails. This suggests that this regulator does not have sufficient reliability, is currently outdated and does not meet the stringent requirements for energy savings.

В настоящее время требуется применение новейших силовых полупроводниковых приборов с высокими скоростями переключения, малыми коммутационными потерями и минимальной мощностью управления.Currently, the use of the latest power semiconductor devices with high switching speeds, low switching losses and minimal control power is required.

Задача, на решение которой направлено данное техническое решение состоит в создании конструкции устройства регулирования напряжения The problem to which this technical solution is directed is to create a design for a voltage control device

вспомогательного генератора транспортного средства, отличающейся от известных простотой и оригинальностью схемотехнического решения, низкими потерями электроэнергии и высокой надежностью и безопасностью в работе за счет обеспечения возможностей его управления с пульта оператора ЭВМ в тепловозах, оборудованных микропроцессорной системой управления и оптимизации параметров регулирования путем изменения программы процессора регулятора напряжения вспомогательного регулятора путем введения дополнительного разъема для подключения программатора, а также повышение моральной стойкости устройства за счет применения силовых полупроводниковых приборов последнего поколения. При этом должно быть обеспечено достижение следующих технико-экономических результатов:auxiliary generator of the vehicle, which differs from the known simplicity and originality of the circuit solution, low energy losses and high reliability and safety in operation by providing the possibility of its control from the computer operator’s console in diesel locomotives equipped with a microprocessor control system and optimization of regulation parameters by changing the controller processor program voltage of the auxiliary regulator by introducing an additional connector for connecting programmer, as well as improving the moral stability of the device through the use of power semiconductor devices of the latest generation. In this case, the achievement of the following technical and economic results should be ensured:

- улучшение технических и эксплуатационных характеристик;- improvement of technical and operational characteristics;

- высокая надежность;- high reliability;

- энергосберегающая схемотехника;- energy-saving circuitry;

- возможность эксплуатации в широком диапазоне климатических условий;- the possibility of operation in a wide range of climatic conditions;

- высокая степень защиты от аварийных ситуаций в дорожных условиях эксплуатации;- a high degree of protection against emergencies in road operating conditions;

- пожаробезопасность;- fire safety;

- длительный безаварийный срок службы.- long trouble-free service life.

Предлагается устройство регулирования напряжения вспомогательного генератора постоянного тока транспортного средства, содержащее первый разъем для подключения к внешним соединениям транспортного средства следующими контактами: первым - к плюсовому проводу аккумуляторной батареи, вторым - к якорю вспомогательного генератора, третьим - к обмотке возбуждения вспомогательного генератора, объединенными четвертым и пятым - к минусовому проводу аккумуляторной батареи, шестым - к информационному выходу сигнала об автоматическом срабатывании защиты регулятора, седьмым - к управляющему A device is proposed for controlling the voltage of the auxiliary DC generator of the vehicle, comprising a first connector for connecting to the vehicle’s external connections with the following contacts: the first to the positive battery wire, the second to the auxiliary generator armature, the third to the auxiliary excitation winding, combined by the fourth and fifth to the negative battery wire, sixth to the information output of the automatic response signal uu protection regulator, the seventh - to the control

сигналу внешнего управляющего устройства, а также подключенный своим входом к первому контакту источник питания и соединенные с его выходами измерительную цепь и регулирующую цепь, которая включает последовательно соединенные усилитель мощности и силовой ключ, выход которого соединен с третьим контактом первого разъема.the signal of an external control device, as well as a power source connected to its first contact and a measuring circuit and a control circuit connected to its outputs, which includes a power amplifier and a power switch connected in series, the output of which is connected to the third contact of the first connector.

Достижение указанных технических результатов обеспечивается за счет того, что устройство снабжено вторым разъемом для подключения к программатору и третьим разъемом для соединения с бортовым компьютером транспортного средства, а измерительная цепь выполнена в виде последовательно соединенных своими выходами резисторного делителя напряжения, изолирующего усилителя и микроконтроллера с первым, вторым, третьим и четвертым входами и первым и вторым выходами, а также первого и второго элементов гальванической развязки, схемы защиты от перенапряжения, индикатора срабатывания защиты и цифрового индикатора напряжения вспомогательного генератора транспортного средства, причем вход резисторного делителя напряжения и вход цифрового индикатора напряжения генератора соединены со вторым контактом первого разъема, с седьмым контактом которого соединен через первый элемент гальванической развязки второй вход микроконтроллера, третий и четвертый входы которого подсоединены ко второму и третьему разъемам соответственно, а первый управляющий выход микроконтроллера через второй элемент гальванической развязки соединен со входом усилителя мощности измерительной цепи, при этом второй выход микроконтроллера соединен с первым входом схемы защиты от перенапряжения, первый выход которого соединен с входом силового ключа регулирующей цепи, а выход силового ключа подключен к третьему контакту первого разъема, при этом второй выход схемы защиты от перенапряжения соединен через индикатор срабатывания защиты с шестым контактом первого разъема, а второй вход схемы защиты от перенапряжения соединен с пятым контактом первого разъема, The achievement of these technical results is ensured by the fact that the device is equipped with a second connector for connecting to the programmer and a third connector for connecting to the on-board computer of the vehicle, and the measuring circuit is made in the form of a resistor voltage divider, an isolating amplifier and a microcontroller connected in series with the first, the second, third and fourth inputs and the first and second outputs, as well as the first and second elements of galvanic isolation, protection against voltage, protection trip indicator and digital voltage indicator of the auxiliary generator of the vehicle, the input of the resistor voltage divider and the input of the digital voltage indicator of the generator connected to the second contact of the first connector, with the seventh contact of which is connected through the first galvanic isolation element, the second input of the microcontroller, the third and fourth inputs which are connected to the second and third connectors, respectively, and the first control output of the microcontroller through The other galvanic isolation element is connected to the input of the measuring circuit power amplifier, while the second output of the microcontroller is connected to the first input of the overvoltage protection circuit, the first output of which is connected to the input of the power switch of the control circuit, and the output of the power switch is connected to the third pin of the first connector, while the second output of the overvoltage protection circuit is connected through the protection operation indicator to the sixth contact of the first connector, and the second input of the overvoltage protection circuit is connected to the fifth contact ohm of the first connector

причем первый вход схемы защиты от перенапряжения соединен со вторым выходом микроконтроллера.moreover, the first input of the overvoltage protection circuit is connected to the second output of the microcontroller.

Заявленное техническое решение может быть признано соответствующим требованиям новизны, поскольку не обнаружен аналог, характеризующийся признаками, идентичными всем существенным признакам предлагаемого объекта защиты.The claimed technical solution can be recognized as meeting the requirements of novelty, since no analogue has been found that is characterized by features identical to all the essential features of the proposed object of protection.

Техническое решение можно признать имеющим изобретательский уровень, поскольку оно для специалиста явным образом не следует из уровня техники.The technical solution can be recognized as having an inventive step, since it does not explicitly follow from the prior art for a specialist.

Заявляемое техническое решение соответствует требованию промышленной применимости, поскольку оно изготавливается, в настоящее время проходит опытные испытания, после чего предполагается подготовка изделия по данному техническому решению к серийному выпуску.The claimed technical solution meets the requirement of industrial applicability, since it is manufactured, is currently undergoing pilot tests, after which it is planned to prepare the product for this technical solution for serial production.

Сущность заявляемого устройства и схемы противопоставленных аналогов и прототипа представлены на следующих чертежах:The essence of the claimed device and circuit opposed analogues and prototype are presented in the following drawings:

- фиг.1 - принципиальная схема регулятора напряжения БРН-ЗВ (аналог);- figure 1 is a schematic diagram of a voltage regulator BRN-ZV (analogue);

- фиг.2 - принципиальная электрическая схема регулятора напряжения РНТ-6 (аналог);- figure 2 is a circuit diagram of a voltage regulator RNT-6 (analogue);

- фиг.3 - схема мультивибратора регулятора напряжения БРН-ЗВ (к фиг.1);- figure 3 is a diagram of a multivibrator voltage regulator BRN-ZV (to figure 1);

- фиг.4 - структурная схема регулятора РНВГ с внешними связями (ПРОТОТИП);- figure 4 is a structural diagram of the controller RNVG with external connections (PROTOTYPE);

- фиг.3 - структурная схема заявляемого устройства регулирования напряжения вспомогательного генератора постоянного тока;- figure 3 is a structural diagram of the inventive device for regulating the voltage of the auxiliary DC generator;

- фиг.6 - блок-схема заявляемого устройства;- 6 is a block diagram of the inventive device;

- фиг.7 - принципиальная схема измерительной цепи заявляемого устройства регулирования напряжения вспомогательного генератора постоянного тока;- Fig.7 is a schematic diagram of a measuring circuit of the inventive voltage regulation device of the auxiliary DC generator;

- фиг.8 - принципиальная схема регулирующей цепи устройства регулирования напряжения вспомогательного генератора постоянного тока.- Fig. 8 is a schematic diagram of a control circuit of a voltage control device of an auxiliary DC generator.

Заявляемое устройство 1 регулирования напряжения вспомогательного генератора постоянного тока транспортного средства содержит (см. фиг.5, 6, 7) первый разъем 9 для подключения к внешним соединениям транспортного средства следующими контактами: первый - к плюсовому проводу аккумуляторной батареи, вторым - к якорю 7 вспомогательного генератора 5, третьим - к обмотке возбуждения вспомогательного генератора, объединенными четвертым и пятым - к минусовому проводу аккумуляторной батареи (на фиг.не показан), шестым - к информационному выходу сигнала об автоматическом срабатывании защиты регулятора, седьмым - к управляющему сигналу внешнего управляющего устройства, а также подключенный своим входом к первому контакту первого разъема 9 источник питания 4 и соединенные с его выходами измерительную цепь 2 и регулирующую цепь 3.The inventive device 1 for regulating the voltage of the auxiliary DC generator of the vehicle contains (see FIGS. 5, 6, 7) a first connector 9 for connecting to external connections of the vehicle with the following contacts: the first to the positive battery wire, the second to the auxiliary armature 7 generator 5, the third to the excitation winding of the auxiliary generator, the combined fourth and fifth to the negative battery wire (not shown in FIG.), the signal to the information output by the sixth and on the automatic operation of the controller protection, the seventh - to the control signal of an external control device, as well as a power supply 4 connected to its input to the first contact of the first connector 9 and a measuring circuit 2 and a regulating circuit 3 connected to its outputs.

Регулирующая цепь 3 включает последовательно соединенные усилитель мощности 13 и силовой ключ 12, выход которого соединен с третьим контактом первого разъема 9.The control circuit 3 includes a series-connected power amplifier 13 and a power switch 12, the output of which is connected to the third contact of the first connector 9.

Устройство 1 снабжено вторым разъемом 20 для подключения к программатору и третьим разъемом 21 для соединения с бортовым компьютером (на фиг.не показан) транспортного средства. Измерительная цепь 2 выполнена в виде последовательно соединенных резисторного делителя напряжения 14, изолирующего усилителя 17 и микроконтроллера 18 с первым, вторым, третьим и четвертым входами и первым и вторым выходами, первого и второго элементов гальванической развязки 19 и 15, схемы защиты 11 от перенапряжения, индикатора 10 срабатывания защиты и цифрового индикатора 16 напряжения вспомогательного генератора транспортного средства. Вход резисторного делителя напряжения 14 и вход цифрового индикатора 16 напряжения генератора The device 1 is equipped with a second connector 20 for connecting to the programmer and a third connector 21 for connecting with the on-board computer (not shown) of the vehicle. The measuring circuit 2 is made in the form of a series-connected resistor voltage divider 14, an insulating amplifier 17 and a microcontroller 18 with first, second, third and fourth inputs and first and second outputs, the first and second galvanic isolation elements 19 and 15, the overvoltage protection circuit 11, indicator 10 actuation protection and digital indicator 16 voltage auxiliary generator of the vehicle. The input of the resistor voltage divider 14 and the input of a digital indicator 16 of the generator voltage

соединены со вторым контактом первого разъема 9. С седьмым контактом первого разъема 9 через первый элемент гальванической развязки 19 соединен второй вход микроконтроллера 19, третий и четвертый входы которого подсоединены ко второму 20 и первому 21 разъемам соответственно, а первый управляющий вход микроконтроллера 18 через второй элемент гальванической развязки соединен со входом усилителя мощности 13 измерительной цепи 2, при этом второй выход микроконтроллера 18 соединен с первым входом схемы защиты 11 от перенапряжения, первый выход которого соединен с входом силового ключа 12 регулирующей цепи 3. Выход силового ключа 12 подключен к третьему контакту первого разъема 9.connected to the second contact of the first connector 9. With the seventh contact of the first connector 9 through the first galvanic isolation element 19 is connected to the second input of the microcontroller 19, the third and fourth inputs of which are connected to the second 20 and first 21 connectors, respectively, and the first control input of the microcontroller 18 through the second element galvanic isolation is connected to the input of the power amplifier 13 of the measuring circuit 2, while the second output of the microcontroller 18 is connected to the first input of the overvoltage protection circuit 11, the first output of which th connected to the input of the power switch 12 regulating circuit 3. The output of the power switch 12 is connected to the third terminal of the first connector 9.

При этом второй выход микроконтроллера 18 соединен с первым выходом схемы защиты от перенапряжения 11, первый выход которой соединен с входом силового ключа 12 регулирующей цепи, а выход силового ключа 12 подключен к третьему контакту первого разъема 9. Второй выход схемы защиты от перенапряжения 11 соединен с пятым контактом первого разъема 9, а первый вход схемы защиты от перенапряжения соединен со вторым выходом микроконтроллера 18.The second output of the microcontroller 18 is connected to the first output of the overvoltage protection circuit 11, the first output of which is connected to the input of the power switch 12 of the control circuit, and the output of the power key 12 is connected to the third pin of the first connector 9. The second output of the overvoltage protection circuit 11 is connected to the fifth contact of the first connector 9, and the first input of the overvoltage protection circuit is connected to the second output of the microcontroller 18.

Силовой ключ 12 собран с использованием самых совершенных на данный момент устройств силовой полупроводниковой техники - JGBT-транзисторах (биполярных транзисторах с изолированным затвором), а именно, применен транзистор. Благодаря этому обеспечены высокие скорости, переключения и надежность при эксплуатации, малые коммутационные потери и минимальная мощность рассеивания, высокое качество регулирования.The power switch 12 is assembled using the most advanced power semiconductor technology devices - JGBT transistors (insulated gate bipolar transistors), namely, a transistor is used. Thanks to this, high speeds, switching and reliability during operation, low switching losses and minimum power dissipation, high quality control.

В качестве микроконтроллера 18 применена микросхема АТ9082333-8РУ фирмы «ATMEL». Элементы гальванической развязки 15 и 19 выполнены с использованием оптопары 4N35(730C-04) фирмы «Motorola».As microcontroller 18, the AT9082333-8RU microcircuit from ATMEL was used. The isolation elements 15 and 19 are made using a 4N35 (730C-04) optocoupler manufactured by Motorola.

В измерительной цепи использованы микросхемы AD202JN (фирма «Analog Devices»). В регулирующей цепи использована микросхема JR2121 (фирма «International Rectifilier»). Для реализации заявляемого устройства используют известные функциональные элементы.The measuring circuit used chips AD202JN (company "Analog Devices"). In the regulatory circuit used chip JR2121 (company "International Rectifilier"). To implement the inventive device using well-known functional elements.

Принцип работы устройства 1 регулирования напряжения вспомогательного генератора постоянного тока состоит в следующем.The principle of operation of the device 1 for regulating the voltage of the auxiliary DC generator is as follows.

Источник питания 4 понижает напряжение бортовой сети НОВ до напряжения питания схемы управления регулятора +15В и формирует канал с напряжением +5В, необходимый для работы почти всех модулей системы. Подача напряжения +5В инициирует начало выполнения управляющей программы.Power supply 4 lowers the voltage of the on-board network NOV to the supply voltage of the control circuit of the regulator + 15V and forms a channel with a voltage of + 5V, which is necessary for the operation of almost all modules of the system. A voltage supply of + 5V initiates the start of the control program.

Микроконтроллер 18 осуществляет выполнение ряда задач по управлению напряжением - поддерживает постоянным во всех режимах работы дизель-генератора тепловоза напряжение бортовой сети (в данном случае НОВ), при отключении компрессора он снижает напряжение вспомогательного генератора с целью уменьшения его заброса, осуществляет контроль собственной работоспособности и, в случае ее утери, включает резервный регулятор.The microcontroller 18 performs a number of voltage management tasks - it keeps the on-board network voltage (in this case NEW) constant in all diesel engine diesel generator operating modes, when the compressor is turned off, it reduces the voltage of the auxiliary generator in order to reduce its throw, monitors its own performance and, in case of loss, it includes a reserve regulator.

Регулирование напряжения вспомогательного регулятора микроконтроллером 18 осуществляется следующим образом. Определяется величина заданного напряжения вспомогательного генератора П3, если она меньше 110В, регулятор ее плавно увеличивает до достижения этого уровня, определяется разница AU между заданным Ц3 и текущим U, значениями напряжения. Если она (AU) положительна, т.е. текущее напряжение меньше заданного, система увеличивает угол открытия транзисторов канала модуля ШИМ, если отрицательна, т.е. текущее значение напряжения вспомогательного генератора больше заданного - уменьшает этот угол. Темп изменения угла будет зависеть от величины AU.The voltage regulation of the auxiliary regulator microcontroller 18 is as follows. The value of the specified voltage of the auxiliary generator P3 is determined, if it is less than 110V, the controller gradually increases it until this level is reached, the difference AU between the given C3 and the current U, voltage values is determined. If it (AU) is positive, i.e. the current voltage is less than the specified one, the system increases the opening angle of the transistors of the channel of the PWM module, if negative, i.e. the current voltage value of the auxiliary generator is greater than the set value - reduces this angle. The rate of change of the angle will depend on the value of AU.

Для работы в составе микропроцессорной системы управления тепловозом регулятор имеет информационный выход «+SF1». При нормальной To work as part of a microprocessor control system for a diesel locomotive, the regulator has an information output “+ SF1”. Under normal

работе регулятора, напряжение на выходе «+SF1» колеблется от 0 до +5В. При срабатывании автоматического выключателя регулятора на выходе «+SF1» появляется напряжение бортовой сети (аккумуляторной батареи) +110В (96В) с выходным сопротивлением 10,2 кОм±50%. С выхода «+SF1» сигнал заводится на дискретный вход внешнего управляющего устройства. Таким образом, система управления получает сигнал о срабатывании защиты регулятора и выводит информацию об этом на пульт машиниста.the regulator, the output voltage "+ SF1" ranges from 0 to + 5V. When the controller’s circuit breaker is tripped, the voltage of the on-board network (battery) + 110V (96V) with an output resistance of 10.2 kOhm ± 50% appears on the output “+ SF1”. From the output “+ SF1” the signal is fed to the digital input of an external control device. Thus, the control system receives a signal that the regulator protection has been triggered and displays information about this on the operator’s console.

Данное устройство регулирования напряжения дополнительно снабжено вторым разъемом 20 для подключения возможности оптимизации параметров регулирования путем изменения программы микропроцессора регулятора.This voltage control device is additionally equipped with a second connector 20 for connecting the possibility of optimizing the control parameters by changing the program of the microprocessor of the controller.

Заявляемая конструкция устройства регулирования напряжения вспомогательного генератора обладает следующими отличиями от известных:The inventive design of the voltage control device of the auxiliary generator has the following differences from the known:

- возможностью управления с пульта ЭВМ в тепловозах, оборудованных центральной микропроцессорной системой управления;- the ability to control from a computer remote control in diesel locomotives equipped with a central microprocessor control system;

- повышенной моральной стойкостью и способностью к дальнейшей модернизации, не требующих больших затрат средств и времени;- increased moral stability and the ability to further modernization, which do not require large expenditures of time and money;

- возможностью оптимизации параметров регулирования благодаря- the ability to optimize control parameters thanks

гибкости в управлении перепрограммирования. При этом обеспечено достижение следующих результатов:flexibility in reprogramming management. At the same time, the following results were achieved:

- высокая надежность и безопасность в работе;- high reliability and safety in work;

- высокая степень защиты от аварийных ситуаций в дорожных условиях эксплуатации;- high degree of protection against emergencies in road operating conditions;

- пожаробезопасность;- fire safety;

Claims

A voltage control device for a vehicle’s auxiliary DC generator, comprising a first connector for connecting to the vehicle’s external connections with the following contacts: the first to the battery positive lead, the second to the auxiliary generator armature, and the third to the auxiliary excitation winding combined by the fourth and fifth - to the negative battery wire, sixth - to the information output of the signal about the automatic operation of the protection reg the seventh - to the control signal of an external control device, as well as a power source connected to its first contact of the first connector and a measuring circuit and a control circuit connected to its outputs, which includes a power amplifier and a power switch connected in series, the output of which is connected to the third contact the first connector, characterized in that it is equipped with a second connector for connection to the programmer and a third connector for connection with the on-board computer of the vehicle, the measuring circuit is made in the form of a resistor voltage divider, an isolating amplifier and a microcontroller connected in series with its first, second, third and fourth inputs and first and second outputs, as well as the first and second elements of the galvanic isolation, overvoltage protection circuit, protection operation indicator and a digital voltage indicator of the auxiliary generator of the vehicle, and the input of the resistor voltage divider and the input of the digital voltage indicator are auxiliary The generator is connected to the second contact of the first connector, with the seventh contact of which is connected via the first galvanic isolation element the second input of the microcontroller, the third and fourth inputs of which are connected to the second and third connectors, respectively, and the first control output of the microcontroller is connected to the amplifier input through the second galvanic isolation element power of the measuring circuit, while the second output of the microcontroller is connected to the first input of the overvoltage protection circuit, the first output of which the first is connected to the input of the power key of the regulating circuit, while the second output of the overvoltage protection circuit through the protection operation indicator is connected to the sixth pin of the first connector, and the second input of the overvoltage protection circuit is connected to the fifth pin of the first connector.