Диагностика электромеханических систем транспортного комплекса. Учебное пособие

тел, сил инерции, ударных нагрузок и вибрации. Они находят широкое применение на транспорте, в медицине, в промышленных системах измерения и управления, в инерциальных системах навигации.

В частности, плёночные пьезоэлектрические датчики ускорения выполняются на основе многослойной пьезоэлектрической полимерной плёнки. При изменении скорости движения датчика в результате действия инерционных сил происходит деформация плёнки. Вследствие возникновения явления пьезоэффекта на границах слоёв плёнки появляется разность потенциалов, зависящая от величины ускорения.

В настоящее время Analog Devices выпускает несколько моделей интегральных акселерометров: одноосные ADXL105, ADXL150, ADXL190 на максимальное ускорение ±5g, ±50g, ±100g соответственно, и двухосные ADXL202, ADXL210 и ADXL250 на максимальное ускорение по обеим осям ±2g, ±10g и

±50g соответственно. Вариант схемного решения с датчиком показан на рис. 2.10. Его выходными сигналами являются импульсы, относительная длительность которых пропорциональна ускорению. Такой тип выхода обеспечивает повышенную помехоустойчивость, передачу сигнала по одной линии и приём его любым микроконтроллером, имеющим таймер (не нужен анало- го-цифровой преобразователь – АЦП).

Ускорение в единицах g рассчитывается по формуле [ ]:

Относительная длительность равна 0,5, что соответствует нулевому ускорению. Период следования импульсов Т2 измеряется один раз и уточняется только при изменении температуры. Так как частота выходных импульсов одинакова для обоих каналов, период Т2 достаточно измерить только на одном канале. Эта величина устанавливается в пределе от 0,5 до 10 мс внешним резистором RSET.

Достоинством такого решения являются простота конструкции, полная согласуемость использованных элементов по техническим характеристикам, программная поддержка фирмы производителя. Принципиальная схема устройства показана на рис. 2.11.

51

ный генератор использован для формирования дополнительных прерываний, что позволяет значительно снизить нагрузку процессора и тем самым повысить его быстродействие.

2.4.2. ДИАГНОСТИКА СОПРОТИВЛЕНИЯ ИЗОЛЯЦИИ

При эксплуатации электротехнических установок различного назначения, в том числе и электроподвижного состава, остро встаёт вопрос обеспечения электробезопасности. Применительно к транспорту этот вопрос приобретает ещё большее значение в связи с тем, что необходимо предусмотреть защиту от поражения электрическим током не только обслуживающего персонала, но и пассажиров.

Как известно, электробезопасность при эксплуатации электроустановок обеспечивается поддержанием электрической изоляции токоведущих частей на уровне, предусмотренном ПУЭ. Сопротивление изоляции ограничивает величину протекающего через неё тока, называемого током утечки. Поскольку электрическое сопротивление любого типа изоляции в установках не бесконечно, прекратить протекание тока утечки можно только единственным способом – снятием напряжения питания, что неприемлемо, так как при этом установка прекращает работу.

Состояние изоляции может контролироваться двумя способами: непосредственным измерением её величины при помощи мегаомметров либо путём измерения величины токов утечки.

Первый из этих способов используется для контроля изоляции стационарных установок, которые при этом отключаются от источника питания (обесточиваются), либо при проведении ремонтных и профилактических работ любых электроустановок и их деталей при их демонтаже.

Применительно к транспортному средству при контроле состояния его изоляции как объекта в целом определяются токи утечки при поданном на него напряжении, но с отключенными электрическими цепями.

Как известно, электрический ток протекает от плюсового провода к минусовому. Применительно к подвижному составу рельсового транспорта в качестве минусового провода используется рельсовый путь. Поэтому кузов ПС и установленное на нём оборудование находятся под нулевым потенциалом (заземлены). Принципиально другая картина наблюдается на ПС безрельсового транспорта. Ток утечки стекает

53

с плюсового провода через изоляцию на кузов, а с него – на минусовой провод и через ходовые части – на землю. Наличие второй цепи приводит к тому, что кузов подвижного состава находится под некоторым потенциалом, величина которого зависит от тока утечки. Прикосновение к кузову подвижного состава при высоком потенциале напряжения на нём может вызвать поражение электрическим током.

Контроль токов утечки троллейбуса

Высокое сопротивление изоляции электрических цепей троллейбуса обеспечивает не только безаварийную работу электрооборудования, но и безопасность пассажиров и обслуживающего персонала. В связи с тем, что питание цепей троллейбуса осуществляется от контактной сети напряжением 600 В, всякое ухудшение или нарушение изоляции токоведущих частей может вызвать появление на корпусе троллейбуса некоторого потенциала по отношению к земле. Человек, стоящий на земле и касающийся металлических частей кузова, образует цепь для протекания тока через себя.

Наиболее часто токи утечки возникают в сырую погоду, так как дождь, туман, мокрый снег значительно понижают сопротивление изоляции, особенно при попадании на токоведущие части грязи, медной и угольной пыли.

Допустимая величина тока утечки для троллейбусов, находящихся в эксплуатации, 3 мА, для новых или после капитального ремонта – 1 мА при номинальном напряжении сети. Общее сопротивление изоляции должно быть не менее 0,2 МОм в сырую погоду.

Контроль сопротивления изоляции обязателен при всех видах осмотра и ремонта, при ежесуточном контрольном осмотре эта операция также обязательна.

Для измерения тока утечки используются магнитоэлектрические миллиамперметры (рис. 2.12) с пределами измерения от 0 до 5мА или от 0 до 10 мА, причем шкала должна позволять отсчитывать ток утечки от 0,5 мА. При замере тока утечки оба токоприёмника необходимо установить на плюсовой провод контактной сети, включить все высоковольтные и низковольтные цепи троллейбуса, чтобы провода и электроаппараты находились под полным напряжением относительно земли. Затем щупом Щ прибора (рис. 2.12) касаются металлической части корпуса троллейбуса, свободной от грязи и краски. Отклонение стрелки миллиамперметра за ограничительную красную черту свидетельствует о наличии неисправности в электрических цепях троллейбуса.

54

В этом случае кнопку К нажимать нельзя. Если стрелка отклонилась до ограничительной черты, то нужно нажать кнопку К и по шкале прибора определить истинное значение тока утечки. Ток утечки измеряется по приходу троллейбуса в парк (до осмотра) и перед выходом на линию.

Рис. 2.12. Принципиальная схема замера тока утечки с помощью миллиамперметра

Резистор R предохраняет индикатор от чрезмерных токов при плохом состоянии изоляции. Вольтметр позволяет корректировать показания миллиамперметра в случае отклонения напряжения контактной сети от номинального.

Индикатор токов утечки троллейбуса ИТУТ-1 (рис. 2.13) явля-

ется комбинированным прибором контроля изоляции троллейбусов с реостатно-контакторной системой управления (РКСУ), реализующим принцип одновременного измерения величины тока утечки и сопротивления изоляции положительного полюса электрооборудования.

Ток утечки Iут измеряется дифференциальным магнитометрическим методом, сопротивление положительного полюса электрообору-

дования – потенциометрическим методом. Параметры I выходного сигнала являются функцией разности входного и выходного токов

троллейбуса. Оценку тока утечки Iут ведут по второй гармонике в вы-

ходном сигнале, так как она наиболее информативна. В блоке обработки (БО) напряжение второй гармоники выделяется, детектируется и преобразуется в ток, значение которого регистрируется в устройстве индикации (УИ).

Контроль за сопротивлением изоляции положительного полюса электрооборудования осуществляется с помощью двух последовательных LC-контуров, настроенных на частоту 600 Гц, симметрирующих на этой частоте напряжение второй гармоники пульсации между полюсами электрооборудования и корпусом троллейбуса. При снижении сопротивления положительного полюса электрооборудования

55

до величины сопротивления LC-контуров на частоте 600 Гц в БО срабатывает компаратор, обеспечивающий включение сигнализации в УИ.

Блок

обработки

Рис. 2.13. Структурная схема индикатора тока утечки ИТУТ-1

Недостатки ИТУТ-1:

невозможность определения тока утечки при одновременном пропорциональном снижении изоляции положительного и отрицательного полюсов электрооборудования;

для работы в реальных условиях требуется высокая разрешающая способность как первичных датчиков, так и всего канала обработки сигнала в целом. По оценкам, для работы такого устройства в эксплуатационных условиях требуется погрешность измерения всего канала прохождения сигнала на уровне 1·10–7.

Бортовой сигнализатор тока утечки «Сигна». В г. Челябинске разработано устройство «Сигна» (рис. 2.14), построенное по принципу компенсации падения напряжения в отрицательном контактном проводе

савтоматической поддержкой потенциала корпуса троллейбуса близким к нулю. В схеме отрицательное компенсирующее напряжение формируется посредством выпрямления выходных импульсов генератора.

56

–

Блок управления и сигнализации

Рис. 2.14. Структурная схема бортового сигнализатора тока утечки «Сигна»

Питание генератора осуществляется от высоковольтной сети через добавочный резистор и регулятор напряжения. Ток утечки определяется при помощи измерителя-ограничителя тока, включенного в плюсовой вывод выпрямителя. Блок управления и сигнализации, подключенный к управляющему входу регулятора напряжения, обеспечивает необходимую функциональную зависимость между напряжением кон-

тактной сети Uс и компенсирующим напряжением Uк, формирует све-

товой и прерывистый звуковой сигналы «Авария» при токе утечки свыше 3 мА, а также осуществляет автоматический контроль работоспособности сигнализатора.

Недостатки сигнализатора тока утечки «Сигна»:

невозможность определения тока утечки при одновременном пропорциональном снижении изоляции положительного и отрицательного полюсов электрооборудования;

сигнализатор нечувствителен к снижению сопротивления изоля-

ции «–Uкс–корпус».

Стенд контроля потенциала на корпусе троллейбуса (СКПТ) (рис. 2.15) является наиболее сложным, вместе с тем он обладает повышенной производительностью и точностью контроля.

Стенд позволяет измерять токи утечки независимо от применяемой системы электроснабжения. Для этого он оборудован автономным источником постоянного напряжения. Наличие последнего существенно

57

повысило точность измерения, поскольку отсутствует погрешность от проводимости, которая наблюдается при измерении токов утечки с питанием от высоковольтных цепей контактной сети. Коммутатор, выполненный на релейно-контакторных элементах, обеспечивает подачу постоянного напряжения 600 В на секционированный участок контактной сети от автономного источника питания.

Рис. 2.15. Функциональная схема стенда СКПТ

В результате на участке контроля оба токоприёмника оказываются под положительным потенциалом, что исключает необходимость перестановки токоприёмников в процессе измерений. Источник автономного питания собран по схеме, аналогичной схеме агрегатов тяговой подстанции. Отрицательный полюс источника изолирован от земли, благодаря чему исключена возможность протекания тока утечки в момент контроля через шины троллейбуса. Генератор тока предназначен для преобразования напряжения входного сигнала в ток выходного. Для сравнения этого тока с током задатчика опорного сигнала в функциональную схему устройства введен компаратор. В случае превышения заданного значения тока формирователь выходного сигнала обеспечивает выдачу команды на включение устройства сигнализации. Для учета суммарного числа единиц подвижного состава, прошедших контроль, и троллейбусов с током утечки выше заданного уровня в устройстве применяют электромеханические счётчики импульсов. Схемой предусмотрены контроль работоспособности отдель-

58

ных узлов стенда и проверка наличия контакта между корпусом троллейбуса и токосъёмным устройством. Токосъёмное устройство выполнено в виде электромеханического манипулятора пантографного типа. Для возможности общего поэлементного контроля сопротивления изоляции троллейбуса стенд комплектуют электрическим мегомметром Ф-4100. При включении стенда в режим «контроль тока» последний подключают положительным проводом к коммутатору, а отрицательным – к токосъёмному устройству стенда. При поэлементном измерении изоляции отдельных участков цепи производят выключение участков высоковольтной цепи в кабине водителя. Стенды СКПТ устанавливают в троллейбусных депо на линиях диагностирования и ТО. Существуют также и другие стационарные приспособления: устройство контроля токов утечки (УКТУ), сигнализатор токов утечки (СТУ), УКИ-3П, которые измеряют ток утечки при питании высоковольтных цепей троллейбуса от контактной сети с заземлённым проводом отрицательной полярности.

Несмотря на большое количество достоинств, данные приспособления имеют следующие недостатки:

в результате наличия в питающем напряжении постоянной и переменной составляющей остается непонятным, какое значение тока утечки измеряется (среднее, эффективное или максимальное);

так как питание стендов осуществляется от источника постоянного напряжения, то при контроле сопротивления изоляции учитывается только его активная составляющая, что существенно искажает картину происходящих в изоляции процессов;

нет возможности анализа и регистрации переходного процесса электрических величин, характерного при контакте человека с корпусом троллейбуса.

Сигнализатор тока утечки (рис. 2.16). Действие прибора основано на измерении тока утечки с корпуса троллейбуса. Он предназначен для троллейбусных хозяйств, системы электроснабжения которых имеют заземлённый отрицательный провод.

Сигнальное устройство включает в себя следующие основные узлы: статический преобразователь напряжения (СПН); последовательный элемент подмагничиваемого трансформаторного регулятора Тр2; параллельный элемент регулятора Тр1; выпрямитель В; релеиндикатор тока утечки РИ; контрольные реле Р1, Р2; сигнальные лампы – красную ЛК, белую Лб, неоновую ЛН; кнопки опробования КО,

наладочные резисторы (Rу1, Rу2, R1, R2, R3, Rб). СПН служит для

59

преобразования постоянного напряжения низковольтного источника в переменное напряжение повышенной частоты. В качестве индикатора тока утечки в схеме используется высокочувствительное токовое реле РИ. Контрольное токовое реле Р1 служит для контроля целостности цепи обмотки смещения, при обрыве которой контакт реле Р1 в цепи индикатора отключает схему от кузова.

Рис. 2.16. Схема сигнализатора тока утечки

Реле Р2 предназначено, во-первых, для контроля цепи обмоток управления и, во-вторых, для отключения схемы устройства от кузова при перемене полярности контактной сети. Красная сигнальная лампа ЛК сигнализирует о срабатывании индикатора тока утечки. Белая сигнальная лампа предназначена для сигнализации о нормальной работе схемы. Неоновая лампа ЛН зажигается при быстром ухудшении или полном пробое изоляции положительных цепей. Проверяют работу схемы нажатием кнопки опробования КО при отключенном выключателе +600 В.

60