Лабораторная работа3 датчики параметров работы микропроцессорных систем управления электроподвижного состава

Цель работы:изучить конструкцию, принцип действия и схему включения элементов – датчиков параметров работы микропроцессорных систем управления (МПСУ) ЭПС; приобрести практические навыкиоценки характеристик датчиков параметров работы МПСУ ЭПС и освоить технологию их настройки.

3.1. Общие сведения

С целью стабилизации работы МПСУ заданные параметры должны сравниваться с действительными, и по их разнице МПСУ должна поддерживать заданный параметр. Так как во всех заданных параметрах ЭПС используется напряжение постоянного тока, то и датчики параметров на выходе формируют действительные сигналы в виде напряжения постоянного тока строго пропорционально измеряемому действительному параметру. Так, датчики силового тока, силового напряжения, скорости, по сути являясь преобразователями сигналов, формируют на выходе постоянное напряжение, которое может быть аналоговым,дискретным или импульсным. МПСУ обрабатывают любую форму действительного сигнала и преобразуют в цифровую форму. По результатам сравнения заданного и действительного сигналов в цифровой форме МПСУ по заложенной программе осуществляют регулирование выходных сигналов с целью поддержания действительных параметров на уровне заданных.

3.2. Датчики силового тока и напряжения

На ЭПС с МПСУ для измерения силового тока и напряжения применяются датчики производства швейцарской фирмы «LEM». Работа этих датчиков основана на использовании эффекта Холла, который был обнаружен в 1879 г. американским физиком Эдвином Гербертом Холлом. Эффект Холла вызывается силой Лоренца, которая действует на подвижные носители электрических зарядов в проводнике, когда на них действует магнитное поле перпендикулярно направлению тока.

Рис. 3.1. Принцип формирования электрических параметров эффекта Холла

Тонкая пластина полупроводника пересекается вдоль током управления I_c(рис. 3.1). Магнитный потокВ генерирует силу Лоренца F_L(на рис. 3.1 не показана) перпендикулярно направлению подвижных носителей зарядов, которые и образуют ток I_c. Это ведет к изменению числа носителей заряда на боковых вертикальных сторонах пластины, параллельных направлению тока. Создается разность потенциалов, которая является напряжением Холла U_Н:

(3.1)

где – константа Холла для применяемого материала;

– толщина пластины полупроводника.

Рис. 3.2. Принцип работы датчика тока прямого усиления

Для измерения постоянного силового тока и напряжения применяются датчики прямого усиления, основанные на эффекте Холла. Принцип действия датчика тока прямого усиления, основанного на эффекте Холла, представлен на рис. 3.2. Магнитная индукция B и напряжение Холла создаются первичным током I_н, который необходимо преобразовать в выходное напряжение U_I, пропорциональное I_н. Ток управления I_cподается в пластину от стабилизированного источника тока. В пределах линейной области цикла гистерезиса магнитная индукция Bпропорциональна I_н:

где – константа. Напряжение Холла выражается следующим образом:

(3.2)

Кроме все составляющие формулы (3.2) постоянны, следовательно, где – константа.

Напряжение Холла подается на вход усилителя А (см. рис. 3.2), питание которого осуществляется от постороннего стабилизированного источника питания. Выходной аналоговый сигнал U_I (см. рис. 3.2) пропорционален току нагрузки I_н.

Датчики прямого усиления «LEM» позволяют измерять номинальные значения токов нагрузки I_н от нескольких ампер до нескольких сотен килоампер с общей точностью в несколько процентов от номинального значения.

Датчики тока прямого усиления способны измерять постоянный, переменный ток и токи других форм с гальванической развязкой. Они отличаются низкой потребляемой мощностью и малыми размерами, а также относительно небольшим весом при большом диапазоне измеряемых токов; обеспечивают отсутствие внутренних потерь в измеряемой цепи и особенно устойчивы к перегрузкам. Датчики получили широкое применение в промышленности и на железнодорожном транспорте.

Датчику силового тока «LEM», установленному через изоляторы на каркас, присвоено наименование «датчик тока ДТ-009». Он устанавливается на электровозах ЭП1, ЭП1М(П), ЭП2К, 2ЭС4К, 2ЭС5К, ВЛ80ТК, ВЛ80СК. Габаритные и присоединительные размеры датчика тока ДТ-009 приведены на рис. 3.3.

Рис. 3.3. Габаритные и присоединительные размеры датчика тока ДТ-009

Внешний вид датчика представлен на рис. 3.4.

Рис. 3.4. Внешний вид датчика ДТ-009

Через датчик тока «LEM» типа LT1000S1/SP58 (позиция 2 на рис. 3.4) проходит силовая шина 1, которая через изоляторы 4 крепится к каркасу 3. Схема подключения датчиков тока на одной секции электровоза 2ЭС5К «Ермак» приведена на рис. 3.5.По аналогичной схеме подключены датчики тока на других перечисленных выше электровозах.

Питание датчиков тока (см. рис. 3.5) осуществляется от источников A71, А72 со входным напряжением 380В. Выходной сигнал с датчиков тока подается по проводам через разъем X13 МСУД-Н (на рис. 3.5 – А55) и далее через разъем X1 в блоки обработки аналоговых сигналов БАС-051 (на рис. 3.5 – А18, А19) для перевода в цифровую форму.В датчике силового высокого напряжения «LEM» (см. рис. 3.6) используется тот же принцип формирования выходного сигнала, что и в датчике силового тока (см. рис. 3.2), только вместо токовой шины магнитная индукция Bв сердечнике создается током силового напряжения, протекающим по катушке через добавочное ограничивающее сопротивление R_д. (рис. 3.6).

Выходное напряжение U_u операционного усилителя А пропорционально силовому входному рабочему U_р. Габаритные и присоединительные размеры датчика напряжения «LEM»типа LV100/SP51 приведены на рис. 3.7.Высокое напряжение подается на клеммы (+)М5 и (–)М5, расположенные сверху датчика, а питание выходного усилителя подается на клеммы (+)М5 и (–)М5, расположенные сбоку датчика. Выходной сигнал снимается с клеммы М.

Питание датчиков напряжения осуществляется от источников A71, А72 с входным напряжением 380 В, как и у датчиков тока (рис. 3.5).

Рис. 3.5. Схема подключения датчиков тока на одной секции электровоза 2ЭС5К «Ермак»

Выходной сигнал с датчиков напряжения подается по проводам через разъем X13 МСУД-Н (на рис. 3.8 – А55) и далее через разъем X1 в блоки обработки аналоговых сигналов БАС-051 (на рис. 3.8 – А18, А19) для перевода в цифровую форму.

Рис. 3.6. Принцип работы датчика напряжения прямого усиления на эффекте Холла

Рис. 3.7. Габаритные и присоединительные размеры датчика напряжения «LEM» типа LV100/SP51

Рис. 3.8. Схема подключения датчиков напряжения «LEM»

на электровозе 2ЭС5К «Ермак»