专利名称：模拟受电弓离线的实验装置以及应用于该实验装置的控制装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及电力机车和动车模拟实验装置技术领域，特别是涉及一种模拟电力机车和动车受电弓在一个电压周期内任意时刻离线的实验装置以及应用于该装置的控制装置。
背景技术：
在电机驱动的高速列车运行中，接触线的波动、车体垂直方向的振动和气动激扰， 使受电弓与接触线发生瞬间脱离，从而造成受电弓离线。离线瞬间产生的高频振荡过电压严重影响列车牵引传动系统的牵引特性。此外，离线瞬间电弧放电产生的高频电磁波不仅对周围的通信线路造成无线电杂音干扰，还会造成周围环境的噪声污染。离线产生的电弧火花还会烧蚀接触线和受电弓滑板，缩短其使用寿命。而不断提高的列车运行速度致使受电弓离线现象更为突出，这对电气化轨道列车的运营系统带来诸多的负面影响。为能正确地把握受电弓离线状态，实验室内的离线模拟装置成为必要。在文献号为CN102063118A的中国专利文献中，公开了一种模拟电力机车受电弓瞬时离线的实验装置。然而，上述中国专利文献公开的模拟装置不能准确的确定受电弓离线时刻，仅实现了离线或两次离线间隔的时间可控。在实际的交流电气化铁路供电中，接触线的供电电压和电流随时间正弦变化，这就使一个正弦周期内不同时刻发生离线时的弓网间电气特性存在很大的差异。此外，实际的供电电压为一般为25kV，属于高电压情况，而在实验室条件下模拟受电弓离线一般在低电压情况下进行的，因此具有一定的局限性。为了克服上述的缺点，正确地把握弓网离线状态，实有必要提出一种新的受电弓离线模拟装置。

发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种模拟电力机车和动车受电弓离线的实验装置。该实验装置可实现受电弓在一个电压周期内任意时刻离线。本发明还提供一种应用于该装置的控制装置。为了解决上述问题，本发明公开了一种模拟受电弓离线的实验装置，包括模拟受电弓取流的弓网电气回路、弓网机械结构、控制装置和动力装置；所述弓网电气回路由电源、接触线、受电弓和负载串联构成；所述弓网机械结构包括支架、拉力弹性元件、绝缘杆和绝缘拉杆；所述绝缘杆固定悬挂于支架顶端，接触线设置于该绝缘杆的自由端；所述受电弓设置于接触线下方并与该接触线相接触，其两端通过所述拉力弹性元件悬挂于所述支架顶端；受电弓的相对于接触线的一侧经绝缘拉杆与动力装置相连接；所述控制装置用于在周期性电压信号的零点延迟固定时间后发出离线信号，控制所述动力装置拉动受电弓与接触线分离，产生离线。
可选的，所述的控制装置可以是集成电路板、DSP板、CPLD板、单片机或其他由可编程控制器与外围电路构成的控制板。可选的，所述控制装置包括过零检测单元、电子开关单元、信号延时单元、动力控制单元及其外围电路；所述的过零检测单元用于检测周期性电压信号的零点，并以此作为离线信号的基准输入至所述信号延时单元，信号延时单元根据离线信号的基准点进行延时，调节外围电路参数来改变延时时间的长短，并将延时后的离线信号输入动力控制单元； 所述动力控制单元根据输入的离线信号控制所述动力装置输出动力，从而拉动受电弓与接触线分离，产生离线；所述电子开关单元用于控制所述过零检测单元至信号延时单元的过零信号的传输。可选的，所述的信号延时单元包括稳态延时单元和可调延时单元；其中，所述稳态延时单元用于在固定时间内仅允许一个过零信号输入至可调延时单元，保证可调延时单元免于其它过零点信号的干扰。所述可调延时模块用于调节内部参数，对于输入的过零点信号进行一个电压周期内的可控延时，并输出两路离线信号，分别为拉力信号和保持信号。可选的，所述的控制装置还包括拉力控制单元，用于实现动力输出大小和速度可调，实现动作机构在不同速度情况下动作，进而实现弓网离线速度快慢的调节。可选的，所述的动力装置可以是电磁阀或气动阀。可选的，所述的弓网电气回路电源包括不同电压等级的电路，并设置有不同电压等级输出的选择开关。可选的，所述的弓网电气回路负载包括阻性负载和感性负载，并设置有二者切换开关。可选的，所述拉力弹性部件为拉力弹簧。本发明还提供一种控制装置，应用于模拟受电弓离线的实验装置，所述控制装置包括过零检测单元、电子开关单元、信号延时单元、动力控制单元及其外围电路；所述的过零检测单元用于检测周期性电压信号的零点，并以此作为离线信号的基准输入至所述信号延时单元，信号延时单元根据离线信号的基准点进行延时，调节外围电路参数来改变延时时间的长短，并将延时后的离线信号输入动力控制单元；所述动力控制单元根据输入的离线信号控制所述动力装置输出动力，从而拉动受电弓与接触线分离，产生离线；所述电子开关单元用于控制所述过零检测单元至信号延时单元的过零信号的传输。与现有技术相比，本发明具有以下优点本发明公开了一种受电弓在一个电压周期内任意时刻产生离线的实验装置，包括弓网离线机械结构、弓网离线电气回路、控制装置和动力装置；所述的弓网离线电气回路由电源、接触线、简易受电弓和负载串联构成，模拟受电弓的受流。所述的弓网离线机械结构指接触线悬挂并位于受电弓上方，在支架与受电弓之间用拉力弹簧链接，保证一定的弓网接触压力。所述的动力装置的动作机构经绝缘拉杆与受电弓相连，另一端固定在支架上。所述的控制装置是指通过过零检测和延时环节产生离线信号，离线信号触发驱动电路来控制动力装置的动力输出。控制装置的输入端为电源正弦信号，其输出端连接动力装置。所述的动力装置是指在离线信号的驱动下，动力装置的动作机构拉动受电弓与接触线分离并产生离线。本发明通过调节控制单元的延时参数可精确地实现受电弓在正弦周期内任意时刻发生离线，例如在过零点后3ms、Urns、18ms等时刻控制受电弓-接触线发生离线。


图1是本发明的模拟受电弓离线的实验装置的实施例中弓网离线机械结构的示意图；图2为低电压供电下受电弓离线的原理图；图3为高电压供电下受电弓离线的原理图；图4为应用于图1所示的实验装置中控制装置的电路图；图5为图4所示的控制装置控制受电弓离线时刻的控制时序图。
具体实施例方式为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式
对本发明作进一步详细的说明。图1是本发明的模拟受电弓离线的实验装置的实施例中弓网离线机械结构的示意图；请参考图1，模拟受电弓离线的实验装置，包括模拟受电弓取流的弓网电气回路、弓网机械结构、控制装置7和动力装置8。其中，所述弓网电气回路由电源、接触线4、受电弓5和负载9串联构成。图1中的电源进线和电源出线的自由端分别连接至电源。所述弓网机械结构包括支架1、拉力弹性元件2、绝缘杆3和绝缘拉杆6 ；本实施例中，该拉力弹性元件2为拉力弹簧。所述绝缘杆3设置于固定悬挂于支架1的顶端，接触线4设置于该绝缘杆3的自由端(即图1中的下端部)；所述受电弓5设置于接触线4下方并与该接触线4相接触，其两端通过两个拉力弹簧2悬挂于所述支架顶端；受电弓5的相对于接触线4的一侧经绝缘拉杆6与动力装置8相连接。所述控制装置7用于在周期性电压信号零点延迟固定的时间后发出离线信号，控制所述动力装置拉动受电弓与接触线分离，产生离线。所述的动力装置8可以是电磁阀或气动阀。或其他通过控制来实现动力输出的机构。上述的结构的基本工作原理如下受电弓5-接触线4(以下简称弓网)良好接触为其初始状态，控制装置7给动力装置8发出离线信号，动力装置通过绝缘拉杆6拉动受电弓5与接触线4分离并发生离线现象。图1中受电弓5与支架1间连接的拉力弹簧2保证了弓网间一定的接触压力。列车在实际运行中，接触压力是不断变化的，所以离线时的弓网接触状态是不同；在实验室内，可以通过改变不同参数的拉力弹簧来实现接触压力的变化。获得不同参数的拉力弹簧下的离线信号。此外，动力装置8的输入端与控制装置7连接，其动作机构经绝缘拉杆6与受电弓 5连接。根据控制单元输出的信号可以调节动力输出，改变对受电弓的拉力，从而实现受电弓的离线速度。本实施例中，所述的弓网电气回路的电源可以包括有不同电压等级的电路，并设置有不同电压等级输出的选择开关。如图2和图3分别示出了两种不同电压的供电电路作
6为电源的示意图。图2所示为低电压供电下受电弓离线原理图。当弓网发生离线时，开断电流超过 0. 25-1A，弓网电压差超过12-20V，就会产生离线电弧放电现象。因此，在实验室条件下即可实现低电压下弓网离线。电源经过降压变压器后经过接触线4、受电弓5、负载9构成弓网离线电气主回路，其中Ul < 220V。图3所示为高电压供电(25kV或以上)下受电弓离线原理图，高压电路可通过倍压电路来实现。高压电路对电容充电后，控制单元触发球隙开关导通，电容经球隙开关-受电弓-接触线-负载进行放电，与此同时控制装置触发动力装置动作使受电弓发生离线现象。电容放电时间很短，控制单元的两路触发信号的时间差是本电路的关键所在。此外，所述的弓网电气回路负载9可以包括阻性负载和感性负载，并设置有二者切换开关。可实现不同负载情况下的弓网离线。图1中所示出的控制装置7可以是集成电路板、DSP板、CPLD板、单片机或其他由可编程控制器与外围电路构成的控制板。图4中示出了一种控制装置7的具体结构。如图4所示，所述控制装置包括过零检测单元10、电子开关单元20、信号延时单元30、动力控制单元40及其外围电路(图未示出)。上述的每一单元的具体电路结构也在图4中一并示出。所述的过零检测单元10用于检测周期性电压信号的零点，并以此作为离线信号的基准输入至所述信号延时单元30，信号延时单元30根据离线信号的基准点进行延时，调节外围电路参数来改变延时时间的长短，并将延时后的离线信号输入动力控制单元40;所述动力控制单元40根据输入的离线信号控制图1所示的动力装置8输出动力，从而拉动受电弓与接触线分离，产生离线；所述电子开关单元20用于控制所述过零检测单元10至信号延时单元30的过零信号的传输。其中，所述的信号延时单元30包括稳态延时单元和可调延时单元；其中，所述稳态延时单元用于在固定时间内仅允许一个过零信号输入至可调延时单元，保证可调延时单元免于其它过零点信号的干扰。所述可调延时模块用于指调节内部参数，对过输入的过零点信号进行一个电压周期内的可控延时，并拉力控制单元40b和保持控制单元40a输出两路离线信号，一路为拉力信号，驱动动力装置拉动受电弓与接触线分离；另外一路为保持信号，其保持动力装置处于动作状态以确保离线正常进行。图4所示的电路图工作过程如下正弦电压经过过零检测单元输出过零点信号 (V0端)，VO端与MOSFET开关的1脚连接，其2脚为MOSFET输出，开关K闭合触发NE555驱动MOSFET导通(1、2导通)，过零点信号便经MOSFET传入74LS123的输入端(Vin).此后两个NE555为稳态延时作用，其输出(V0端)连接第二个74LS123，再经过两个NE555后分别输出拉力信号和保持信号，并分别控制拉力控制单元40b和保持控制单元40a。图5为图4所示的电路图控制受电弓离线时刻的控制时序图。正弦电压过零检测输出一系列脉冲信号，其中脉冲的下降沿为过零基准时刻。离线指令发出后，过零基准时刻经MOSET开关同时触发稳态延时和可调延时。稳态延时内避免了其他过零基准时刻的触发，可调延时在稳态延时内进行过零基准时刻的延时并产生初始离线信号，以下降沿方式触发电磁阀驱动环节，最后产生两路离线信号驱动动力单元动作。可见，受电弓在一个电压周期内任意时刻产生离线的关键在于可调延时脉冲时间的长短，并且离线时序必须满足条件可调延时时间<稳态延时时间< MOSFET开通时间。以零点起为基准，可调延时脉冲时间短，离线时刻则靠近过零点，反之则远离过零点。本实施例中公开了一种受电弓在一个电压周期内任意时刻产生离线的实验装置， 本发明通过调节控制单元的延时参数精确地实现受电弓在正弦周期内任意时刻发生离线， 例如在过零点后3ms、i;3ms、18ms等时刻控制受电弓-接触线发生离线。本发明虽然以较佳实施例公开如上，但其并不是用来限定本发明，任何本领域技术人员在不脱离本发明的精神和范围内，都可以做出可能的变动和修改，因此本发明的保护范围应当以本发明权利要求所界定的范围为准。
权利要求
1.一种模拟受电弓离线的实验装置，其特征在于包括模拟受电弓取流的弓网电气回路、弓网机械结构、控制装置和动力装置；所述弓网电气回路由电源、接触线、受电弓和负载串联构成；所述弓网机械结构包括支架、拉力弹性元件、绝缘杆和绝缘拉杆；所述绝缘杆固定悬挂于支架顶端，接触线设置于该绝缘杆的自由端；所述受电弓设置于接触线下方并与该接触线相接触，其两端通过所述拉力弹性元件悬挂于所述支架顶端； 受电弓的相对于接触线的一侧经绝缘拉杆与动力装置相连接；所述控制装置用于在周期性电压信号的零点延迟固定时间后发出离线信号，控制所述动力装置拉动受电弓与接触线分离，产生离线。
2.根据权利要求1所述的模拟受电弓离线的实验装置，其特征在于所述的控制装置可以是集成电路板、DSP板、CPLD板、单片机或其他由可编程控制器与外围电路构成的控制板。
3.根据权利要求2所述的模拟受电弓离线的实验装置，其特征在于所述控制装置包括过零检测单元、电子开关单元、信号延时单元、动力控制单元及其外围电路；所述过零检测单元用于检测周期性电压信号的零点，并以此作为离线信号的基准输入至所述信号延时单元，信号延时单元根据离线信号的基准点进行延时，调节外围电路参数来改变延时时间的长短，并将延时后的离线信号输入动力控制单元；所述动力控制单元根据输入的离线信号控制所述动力装置输出动力，从而拉动受电弓与接触线分离，产生离线；所述电子开关单元用于控制所述过零检测单元至信号延时单元的过零信号的传输。
4.根据权利要求3所述的模拟受电弓离线的实验装置，其特征在于所述的信号延时单元包括稳态延时单元和可调延时单元；其中，所述稳态延时单元用于在固定时间内仅允许一个过零信号输入至可调延时单元，保证可调延时单元免于其它过零点信号的干扰。所述可调延时模块用于调节内部参数，对于输入的过零点信号进行一个电压周期内的可控延时，并输出两路离线信号，分别为拉力信号和保持信号。
5.根据权利要求书3所述的模拟受电弓离线的实验装置，其特征在于所述的控制装置还包括拉力控制单元，用于实现动力输出大小和速度可调，实现动作机构在不同速度情况下动作，进而实现弓网离线速度快慢的调节。
6.根据权利要求1所述的模拟受电弓离线的实验装置，其特征在于所述的动力装置可以是电磁阀或气动阀。
7.根据权利要求1所述的模拟受电弓离线的实验装置，其特征在于所述的弓网电气回路电源包括不同电压等级的电路，并设置有不同电压等级输出的选择开关。
8.根据权利要求1所述的模拟受电弓离线的实验装置，其特征在于所述的弓网电气回路负载包括阻性负载和感性负载，并设置有二者切换开关。
9.根据权利要求1所述的模拟受电弓离线的实验装置，其特征在于所述拉力弹性部件为拉力弹簧。
10.一种控制装置，应用于模拟受电弓离线的实验装置，其特征在于所述控制装置包括过零检测单元、电子开关单元、信号延时单元、动力控制单元及其外围电路；所述过零检测单元用于检测周期性电压信号的零点，并以此作为离线信号的基准输入至信号延时单元，信号延时单元根据离线信号的基准点进行延时，调节外围电路参数来改变延时时间的长短，并将延时后的离线信号输入动力控制单元；所述动力控制单元根据输入的离线信号控制所述动力装置输出动力，从而拉动受电弓与接触线分离，产生离线；所述电子开关单元用于控制所述过零检测单元至信号延时单元的过零信号的传输。
全文摘要
一种模拟受电弓离线的实验装置，包括弓网电气回路、弓网机械结构、控制装置和动力装置；弓网电气回路由电源、接触线、受电弓和负载串联构成；弓网机械结构包括支架、拉力弹性元件、绝缘杆和绝缘拉杆；所述绝缘杆固定悬挂于支架顶端，接触线设置于该绝缘杆的自由端；所述受电弓设置于接触线下方并与该接触线相接触，其两端通过所述拉力弹性元件悬挂于所述支架顶端；受电弓的相对于接触线的一侧经绝缘拉杆与动力装置相连接；所述控制装置用于在周期性电压信号的零点延迟固定时间后发出离线信号，控制所述动力装置拉动受电弓与接触线分离，产生离线。该实验装置可实现受电弓在一个电压周期内任意时刻离线。本发明还提供一种应用于该实验装置的控制装置。
文档编号G01R19/175GK102565593SQ20121001486
公开日2012年7月11日 申请日期2012年1月17日 优先权日2012年1月17日
发明者刘文正, 龚兆丰 申请人:北京交通大学