Разработка устройства диагностики силовой части однофазного тиристорного мостового полууправляемого выпрямителя

1. Логическая модель объекта диагностирования

2. Построение алгоритма диагностирования

3. Разработка комплекса электронных защит для преобразователя типа ПТО-М 115−32

Приложение

Развитие устройств промышленной электроники сопровождается ростом сложности и взаимосвязей элементов и систем управления ими. Эти обстоятельства, обусловленные расширением круга решаемых этими устройствами задач при одновременном повышении требований к эффективности функционирования, приводят к снижению надежности и резко увеличивают материальные, временные и трудовые затраты на их обслуживание. Решением указанных противоречий наряду с повышением надежности элементов устройств промышленной электроники является совершенствование методов и средств определения технического состояния устройств в процессе этапов их производства и эксплуатации, т. е. решение задач технической диагностики.

В данном курсовом проекте разрабатывается устройство диагностики силовой части однофазного тиристорного мостового полууправляемого выпрямителя и комплекс электронных защит для этого преобразователя.

1. Логическая модель объекта диагностирования Рассмотрим силовую часть тиристорного однофазного мостового полууправляемого выпрямителя с тиристорами в анодной и диодами в катодной группах при работе на активно-индуктивную нагрузку с противо-ЭДС (Рис. 1).

Рис.1

Если условия работы силовой части ТП выразить на языке булевой алгебры, перейдя к логическим зависимостям между напряжениями и токами ТП, то можно получить логическую модель силовой части ТП и на ее основе модель математическую.

Введем следующие логические переменные:

X1 = 1 — характеризует положительный потенциал на аноде VS1 относительно катода и отрицательный потенциал на аноде VS2, т. е. при .

X1 = 0 — соответствует отрицательному потенциалу на аноде VS1 и положительному потенциалу на аноде VS2

X21 = 1 и X22 = 1 — характеризуют ток управления VS1 и VS2 амплитудой и длительностью, обеспечивающих к моменту окончания достижение прямого анодного тока тиристора

X21 = 0 и X22 = 0 — характеризуют отсутствие тока управления

Z11 =1 и Z12 = 1 — характеризуют прямые токи, протекающие через вентили

Z11 = 0 и Z12 = 0 — соответствуют отсутствию прямых токов через вентили

Z2 = 1 — характеризует падение напряжения на активном сопротивлении Rн нагрузки ТП

Z2 = 0 — соответствует отсутствию падения напряжения

Z3 = 1 — характеризует ЭДС самоиндукции в индуктивности Lн при изменении тока в нагрузке

Z3 = 0 — характеризует ЭДС самоиндукции при условии

Z4 =1 — характеризует противо-ЭДС двигателя при условии

Z4 =0 — характеризует отсутствие противо-ЭДС двигателя

Z5 =1 — характеризует наличие результирующего напряжения Uн на выходе ТП при условии

Z5 =0 — характеризует отсутствие напряжения Uн

X3 =1 — характеризует активное сопротивление Rн, если соблюдается условие

X3 = 0 — если не соблюдается выше приведенное условие

X4 = 1 — характеризует индуктивность цепи нагрузки ТП при

X4 = 0 — характеризует индуктивность цепи нагрузки ТП при

X5 = 1 — характеризует изменение тока нагрузки во времени, если

X5 = 0 — характеризует изменение тока нагрузки во времени, если

X6 = 1 — характеризует положительный потенциал на анодах тиристоров при условии

X6 = 0 — если это условие не выполняется

X6' = 1 характеризует положительный потенциал на анодах тиристоров при условии

X6' = 0 — если это условие не выполняется

Xк = 1 — характеризует коммутационный процесс токов в тиристорах при условии, что имеет место коммутация с одного тиристора на другой

Xк = 0 — характеризует коммутационный процесс токов в тиристорах при условии, что отсутствует коммутация тока в тиристорах На рис. 2 приведена логическая сеть, характеризующая режим работы силовой части однофазной полууправляемой мостовой схемы ТП.

Рис.2

Ток нагрузки ТП равен сумме токов и тиристоров VS1 и VS2. Это событие отражено введением логического суммирования сигналов Z11 и Z12, характеризующих ток в тиристорах ТП. В течение коммутационного процесса, т. е. при Xк = 1, тиристоры VS1 и VS2 сохраняют свое открытое состояние, что отражено логической переменной, поступающей на звено логического суммирования модели iго тиристора, выходная переменная которого характеризует положительный потенциал на аноде iго тиристора. Отсутствие напряжения Uн нагрузки ТП при коммутации тиристоров, отражено в логической сети введением звена логического произведения, выходная переменная которого .

Математические выражения алгебры логики, характеризующие режим работы ТП, могут быть представлены как:

2. Построение алгоритма диагностирования Задача построения алгоритма диагностирования дискретного последовательного объекта заключается в том, чтобы не прибегая к разрыву обратных связей в объекте, построить такую последовательность входных наборов, при которых ответные последовательности выходных наборов объекта позволяют выделить возможные в нем объекты. При этом предполагается, что, хотя исходные состояния элементов памяти объекта и неизвестны, всегда найдется последовательность входных наборов фиксированной длины, позволяющая перевести исправный объект в любое достижимое состояние. Для реальных объектов указанное требование вполне естественно и реализуемо.

Т. к. объекты с памятью представляют определенную сложность при диагностировании, то целесообразно диагностировать однофазный тиристорный полууправляемый выпрямитель по частям (ввиду полной симметрии схемы). Для этого нашу схему разделим на две половины, логическая сеть которых аналогична однофазному однополупериодному выпрямителю. Для работы с разными частями схемы надо ввести переключатель каналов.

Построим алгоритм диагностирования силовой части ТП при работе на двигатель постоянного тока. В соответствии с логической моделью (рис. 2) рассматриваемого объекта и логическими соотношениями для нее выходные сигналы в текущем такте времени:

Рис. 3

Для определения входных наборов, различающих исправное и неисправное состояние объекта, представим последнее выражение в ЭНФ:

В общем случае для логических схем с разветвлениями каждая буква терма (произведение букв) соответствует входному сигналу или его инверсии с индексом. Логичнее дефекты силовой части ТП отражать в форме допустимости входных или выходных сигналов модели. Тогда входящие в последние соотношение буквы будут представлять соответствующие им дефекты ТП, а термы — содержать сочетания взаимосвязанных дефектов.

В общем виде букву в ЭНФ обозначают символом и придают ему значение и в зависимости от того, какого типа дефект проверяется (0 или 1). При этом:

для проверки на дефект типа 0 достаточно принять все буквы хотя бы одного терма в ЭФН, содержащего равными 1, и в каждом из остальных термов — хотя бы одну букву принять равной нулю;

для проверки на дефект типа 1 достаточно хотя бы в одном терме, содержащем, принять равной 0, а значения из остальных букв этого терма — равными 1, при этом в каждом из остальных термов принять хотя бы одну букву равной 0;

Произведем проверку букв соотношения на (табл.1):

Таблица 1

Произведем проверку букв соотношения на (табл.2):

Таблица 2

После проведенных выше проверок получена таблица (табл. 3), где ни одна из букв не осталась не проверенной. В таблице отмечены наборы возможных входных сигналов и проверяемые сигналы для каждого из наборов. Очевидно, что изменение значения проверяемого сигнала 1(0) на 0(1) должно вызывать изменение Z5(v).

Таблица 3

Полученные табл. 3 совокупности наборов различают исправное и неисправное технические состояния рассматриваемого объекта диагностирования и являются основой для построения таблиц покрытий и функций неисправности.

При составлении таблицы покрытий должно соблюдаться условие, при котором предыдущее значение выходного сигнала или элемента памяти, входящее в рассматриваемый набор, должно совпадать со значением выходного сигнала объекта или элемента памяти при предыдущем наборе. Для обеспечения этого условия из имеющейся в таблице совокупности наборов первым устанавливающим набором можно принять набор № 5, при котором выход элемента памяти тиристора устанавливается равным нулю (Z5(v)=0). Для силовой части ТП данный набор соответствует отрицательной полярности напряжения, при котором тиристор запирается.

Порядок отдельных наборов зависит от значения выходных сигналов объекта и памяти. В табл. 4 представлены последовательности наборов входных сигналов ТП, для которых предыдущие и текущие значения выходных сигналов элемента памяти и объекта диагностирования соответствуют приведенному выше условию.

Таблица 4

Зададим возможные неисправности силовой части ТП и определим соответствующие им технические состояния и значения входных сигналов логической модели ТП:

e1 — соответствует разрыву цепи управляющего перехода тиристора, т. е. X2 = 0;

е2 — соответствует постоянному наличию управляющего импульса на тиристоре, т. е. Х2 = 1

е3 — соответствует исчезновению питающего напряжения силового трансформатора, т. е. Х1 =0

е4 — соответствует разрыву силовой цепи ТП на стороне его нагрузки, т. е. Х3 = 0

е5 — соответствует замене индуктивной нагрузки на активную, т. е. Х4=0

е6 — соответствует изменению нагрузки на активно-индуктивную, т. е. Z4=0;

е7 — соответствует КЗ тиристора ТП, т. е. Z1(v-1)=1

Для указанных неисправностей определим возможность их выделения с помощью проверяющих входных наборов по табл. 4. С этой целью подставим в каждый из наборов соответствующий данной неисправности входной сигнал логической модели и определим для него значение выходного сигнала Z5 (v). Если результаты вычисления выходного сигнала Z5 (v) совпадают с его значениями в табл. 4 для данного набора входных сигналов, то этот набор не выделяет заданную неисправность. Если же результаты вычисления Z5 (v) не совпадают с его значениями в табл. 4, то данный набор позволяет выделить соответствующую неисправность.

Построим таблицу покрытий (табл. 5)

Таблица 5

В таблице покрытий имеются неразличимые неисправности е3 и е4, е2 и е7. Ряд входных наборов, не выделяющих заданный класс неисправностей можно исключить из рассмотрения (5,7,8). Получаем таблицу функций неисправностей силовой части тиристорного мостового полууправляемого выпрямителя для одного канала (табл. 6):

Таблица 6

По табл. 6 построим алгоритм диагностирования ТП (рис. 4).

Рис.4

3. Разработка комплекса электронных защит для преобразователя типа ПТО-М 115−32

выпрямитель тиристор защита преобразователь

Обеспечим следующие защиты преобразователя:

— Защита от токовых перегрузок преобразователя

— Защита от перегрева преобразователя

— Защита от исчезновения напряжения в цепи управления

— Зашита от обрыва цепи тахогенератора

Схема электронных защит и сигнализации представлена на рис. 5.

Принцип действия

С внешних датчиков входные сигналы поступают на компараторы и сравниваются с их пороговыми значениями (построечные резисторы R1. R4 служат для нормирования сигналов с датчиков и для изменения пороговых значений). В случае превышения порогового значения какого-либо сигнала (т. е. или ток через преобразователь стал больше допустимого, или произошел обрыв цепи тахогенератора и т. д.) на выходе соответствующего компаратора появляется логическая 1. В результате загорается светодиод, указывающий на данную неисправность. Кроме того, все четыре логических сигнала с компараторов инвертируются и подаются на входы элемента 4И-НЕ микросхемы DD2.1. Если хотя бы один из логических сигналов с компараторов равен логической 1, то на выходе элемента 4И-НЕ будет тоже логическая 1. В результате чего на выходе триггера будет 1, напряжение на светодиоде оптопары станет равным 0. Транзистор оптопары закрывается и преобразователь отключается от сети с помощью электромагнитного реле, контакты которого подключают преобразователь к питающей сети. Кнопка SB1 служит для принудительного пуска преобразователя. Во избежание выхода из строя транзистора из-за большого тока самоиндукции параллельно обмотке реле необходимо установить диод VD1. Для питания блока защит требуется дополнительный блок питания +24 В.

Расчет элементов схемы

Т. к. в нашей задаче не требуется высокая точность сравнения входных сигналов с пороговыми значениями, то достаточно компараторы выполнить на базе микросхемы К1401УД2А, состоящей из четырех ОУ.

Для сигнализации аварийных режимов преобразователя применим светодиоды АЛ307АМ (Uпр = 2 В, Iпр max = 10 мА) красного цвета.

В качестве инверторов применим микросхему КР1533ЛН10: 6 элементов НЕ с повышенной нагрузочной способностью и открытым коллектором, что обеспечит достаточный прямой ток через светодиоды.

Рассчитаем сопротивления R5… R12:

R5 = (5 V -2 V) / 9mA = 333 Ом, примем R5… R12 = 330 Ом.

В качестве транзисторного оптрона возьмем АОТ128Б (Iвх =25 мА, Iвых = 10мА).

R13 = (5V — 2V) / 25mA = 120 Ом.

Транзистор VT1: КП727 В (Рси = 90 Вт, Ic = 3 A, Uзи max= 20 В, Ucи max =50 В).

Приложение