Совершенствование системы реостатного торможения пассажирских электровозов постоянного тока Текст научной статьи по специальности «Электротехника, электронная техника, информационные технологии»

ОбЩетехнические и социальные проблемы

УДК 629.4.067.4

Киселёв Е. Л.

СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ СИСТЕМЫ РЕОСТАТНОГО ТОРМОЖЕНИЯ ПАССАЖИРСКИХ ЭЛЕКТРОВОЗОВ ПОСТОЯННОГО ТОКА

Рассмотрена возможность применения транзисторно-импульсного преобразователя с микропроцессорной системой управления для реостатного торможения пассажирских электровозов серии ЧС. Указаны пути улучшения тормозных характеристик электровозов.

микропроцессорная система управления, реостатное торможение, электровоз, способ расчёта тормозной силы.

Введение

Скоростное движение на участке Москва-Санкт-Петербург Октябрьской железной дороги обеспечивают электровозы серии ЧС-200. Данные электровозы оснащены реостатным тормозом, включающим в себя систему управления и импульсный преобразователь. Сейчас поддержание в исправном состоянии системы реостатного торможения этих электровозов затруднено из-за отсутствия запасных частей для ремонта. Существует возможность повысить эффективность применения реостатного торможения данных электровозов за счёт создания алгоритмов и программного обеспечения для реализации гибкого закона регулирования посредством микропроцессорной системы управления.

1 Анализ систем электродинамического торможения

На электровозах ЧС200 первого выпуска в качестве возбудителя для ТЭД используется импульсный преобразователь напряжения на основе однооперационных тиристоров (рис. 1).

ISSN 1815-588 X. Известия ПГУПС 2008/1

Рис. 1. Импульсный преобразователь электровозов серии ЧС200

Общетехнические и социальные проблемы

183

Все обмотки возбуждения ТЭД секции включаются последовательно, отдельно от якорей. Тяговые двигатели переводятся в режим с независимым возбуждением [1]. Система управления преобразователем выполнена на основе операционных усилителей (рис. 2).

Рис. 2. Структурная схема системы управления реостатным тормозом

На электровозах ЧС200 (заводской индекс 66Ем), прошедших капитально-восстановительный ремонт, система реостатного торможения была заменена на более совершенную. При сохранении всех функциональных достоинств прежних систем внесены следующие существенные конструктивные изменения:

тиристорно-импульсный преобразователь заменен транзисторноимпульсным (ТИП), выполненном на основе транзисторных модулей IGBT;

система управления заменена регулятором, выполненным на основе цифровых технологий с применением микропроцессоров.

Для выбора схемы возбуждения обмоток тяговых электродвигателей в режиме реостатного торможения и системы управления был произведён обзор существующих систем рекуперативного и реостатного тормоза на отечественном электрическом подвижном составе.

На рисунке 3 представлена упрощенная схема одной секции электровоза ВЛ10, ВЛ10У. Возбуждение тяговых двигателей осуществляется от двух вращающихся преобразователей постоянного тока. Система управления процессом рекуперативного торможения на данной

ISSN 1815-588 X. Известия ПГУПС 2008/1

С84цетехнические и социальные проблемы

серии электровозов не предусматривает никакой автоматизации. Защиты от потери потребителя не предусмотрено.

ISSN 1815-588 X. Известия ПГУПС 2008/1

Общетехнические и социальные проблемы

185

ISSN 1815-588 X. Известия ПГУПС 2008/1

Общетехнические и социальные проблемы

Следующим этапом развития является электровоз ВЛ11. Система возбуждения аналогична системе возбуждения электровозов ВЛ10, но в цепь возбуждения возбудителя введен транзисторно-импульсный регулятор БТП, который позволяет системе реализовывать режим поддержания заданного тормозного тока и более быстро реагировать на броски напряжения в контактной сети. Тем не менее вращающийся возбудитель остаётся звеном, обладающим большой инерционностью.

Электровоз ВЛ15. Система возбуждения тяговых двигателей в режиме рекуперативного торможения электровозов серии ВЛ15 выпускалась двух модификаций.

1. С вращающимся преобразователем. Данная система аналогична электровозу ВЛ11М. Отличием является то, что на секции электровоза ВЛ15 шесть тяговых двигателей против четырех двигателей электровоза ВЛ11М.

2. Со статическим преобразователем (рис. 4).

Достоинством такой системы является возможность независимого регулирования токов в обмотках возбуждения, как следствие -выравнивание тормозных сил при рекуперации на параллельном соединении. Недостаток - трехкратное преобразование энергии, что усложняет систему и увеличивает дополнительный расход электроэнергии на возбуждение тяговых электродвигателей в режиме рекуперации. Применение однооперационных тиристоров невысокого класса определило низкую надёжность всей системы рекуперации в целом.

Электродинамический тормоз электропоездов ЭР2Р, ЭР2Т, ЭТ2 всех модификаций, ЭД2Т, ЭД4 всех модификаций включает систему

ISSN 1815-588 X. Известия ПГУПС 2008/1

Общетехнические и социальные проблемы

187

возбуждения тяговых электродвигателей, вращающийся преобразователь, трехфазный мостовой управляемый выпрямитель УВ (рис. 5). Обмотки возбуждения всех тяговых электродвигателей моторного вагона соединены последовательно, что обеспечивает выравнивание нагрузок тяговых электродвигателей. Сглаживание бросков тормозного тока при резком изменении уровня напряжения контактной сети осуществляется системой автоматического регулирования посредством изменения величины тока возбуждения. В системе рекуперативного торможения предусмотрена защита от потери потребителя - при потере потребителя схема автоматически переходит в режим реостатного торможения.

ОВ1-

ОВ4

Рис. 5. Электродинамический тормоз электропоездов серии ЭР2Т

Недостаток такой системы состоит в том, что нет возможности производить рекуперативное или реостатное торможение с независимым возбуждением на низкой скорости, так как максимальная величина тока возбуждения ограничена мощностью электромашинного преобразователя, от которого осуществляется питание и собственных потребителей электропоезда.

С учетом сказанного выше и конструктивных особенностей силовой схемы электровозов ЧС200 была выбрана схема, представленная на рисунке 6.

Для возбуждения обмоток ТЭД в режиме реостатного торможения служит транзисторно-импульсный преобразователь, получающий питание в начале торможения от аккумуляторной батареи. Преобразователь выполнен на одном IGBT-транзисторе.

ISSN 1815-588 X. Известия ПГУПС 2008/1

ОШщетехнические и социальные проблемы

Современные импульсные преобразователи требуют наличия микропроцессорной системы управления (МПСУ, МСУ) для максимальной эффективности их работы.

Рис. 6. Принципиальная схема возбуждения ТЭД электровоза ЧС200

За рубежом МПСУ внедряются на тяговом подвижном составе с 1981 г.

МПСУ зарубежных электровозов выполнены двухуровневыми по иерархическому принципу. Такие МПСУ имеют на нижнем уровне локальные контроллеры, выполняющие функции управления

электроприводами отдельных осей или тележек, и микроЭВМ верхнего уровня, обеспечивающую решение общих задач управления локомотивом.

Например, по такой схеме построена система управления электропоездом «Сокол» (рис. 7).

В настоящее время многими зарубежными фирмами выпускаются бортовые компьютеры широкого применения.

Так, например, МПСУ для электровов ЭП1 и ВЛ65 построена на базе микропроцессорных контроллеров фирмы Octagon Systems. Структурная схема микропроцессорной системы управления и диагностики

иерархически устроена подобно предыдущей и включает дополнительно «холодное» резервирование локальных контроллеров и информационной шины.

На современном и проектируемом подвижном составе системы управления решают множество задач, включающих в себя весь процесс управления поездом в любых режимах, поэтому требуют сложной

ISSN 1815-588 X. Известия ПГУПС 2008/1

Общетехнические и социальные проблемы

189

многоуровневой архитектуры. Но для решения какой-то конкретной задачи, например автоматизации режима торможения, оказывается достаточными вычислительные мощности одного микропроцессорного контроллера.

Однокристальные МПК предназначены для построения систем управления различными устройствами. Анализ показал, что возможности однокристальных МПК оказываются достаточными для построения систем управления ЭПС, работающих в реальном масштабе времени.

Рис. 7. Структурная схема системы управления перспективного электропоезда «Сокол»

2 Повышение эффективности использования реостатного тормоза

Микропроцессорная система управления реостатным торможением (рис. 8) осуществляет:

ISSN 1815-588 X. Известия ПГУПС 2008/1

ОЙЙщетехнические и социальные проблемы

реостатное торможение с автоматическим поддержанием скорости или тормозной силы вплоть до полной остановки электровоза; защиту от боксования и юза колесных пар;

контроль температуры тормозных резисторов и полупроводниковой структуры транзистора.

Рис. 8. Структурная схема модернизированной системы управления реостатным тормозом электровоза ЧС200

МСУ предназначена для регулирования тормозной силы электровоза в зависимости от скорости без участия машиниста, который лишь задаёт режим и интенсивность торможения, а далее, по мере уменьшения скорости, процесс торможения протекает автоматически.

Определение реальной тормозной силы технически затруднительно (необходимы электромеханические датчики усилия), поэтому тормозная сила определяется косвенно с использованием величин тока якоря и возбуждения:

Вт = Cv Ф /я, (1)

ISSN 1815-588 X. Известия ПГУПС 2008/1

Общетехнические и социальные проблемы

191

где Cv - постоянный скоростной коэффициент ТЭД;

Ф - магнитный поток ТЭД;

1я - ток якоря ТЭД.

Для вычисления тормозной силы в МСУ должны поступать электрические сигналы, пропорциональные току якоря и току возбуждения, а также устройство для учета нелинейной зависимости магнитного потока от тока возбуждения и устройство для перемножения указанных выше величин.

На электровозах серии ЧС первого выпуска используется система управления на основе операционных усилителей. В регуляторах типа RLS-1 и RLS-^ расчет тормозной силы производится суммированием сигнала датчика тока якоря и преобразованного сигнала датчика тока возбуждения:

пропорциональный магнитному потоку ТЭД.

При определенном соотношении сигналов, пропорциональных току якоря и магнитному потоку ТЭД, постоянство суммы этих величин достаточно точно соответствует постоянству тормозной силы.

На модернизированном электровозе ЧС200 (66Ем) расчет величины тормозной силы производится по выражению [2]:

где 1в - ток возбуждения ТЭД;

К - поправочный коэффициент, учитывающий нелинейность магнитной характеристики ТЭД.

Такой способ расчета тормозной силы, где кривая намагничивания аппроксимирована кусочно-линейной функцией, более точный, чем использующийся в системах электровозов ЧС2Т и ЧС200 (66Е1) первого выпуска, но погрешность от кусочно-линейной аппроксимации всё равно сохраняется.

В случае построения регулятора МСУ на основе микропроцессора для вычисления величины тормозной силы используется выражение (1). При этом величина магнитного потока рассматривается как нелинейная функция тока возбуждения Ф = /(/в), полученная на основании паспортных данных тягового электродвигателя [3]. Для уменьшения погрешностей при кусочно-линейной аппроксимации указанная функция аппроксимируется выражением, дающим наименьшую погрешность во всем диапазоне токов возбуждения (рис. 9):

B = 1,4 • I„ + f (/.),

где f/в) - преобразованный сигнал о

(2)

токе возбуждения,

(3)

ISSN 1815-588 X. Известия ПГУПС 2008/1

О92щетехнические и социальные проблемы

ГУ = 3,6966 • log(X) -11,711, X > 65,

[У = 0,056492 • X, X < 65. (4)

Выражение (4) представляет собой непосредственную запись данной функции в программе блока управления. Здесь У - переменная, содержащая значение магнитного потока; Х - переменная, содержащая усреднённое значение тока возбуждения ТЭД.

Рис. 9. Аппроксимация магнитного потока ТЭД логарифмической функцией

Созданная система управления ТИПом сохраняет все функции предыдущей системы, расширяя диапазон электрического торможения электровоза. Программа позволяет также осуществлять запись всех параметров движения локомотива в реальном времени на переносной компьютер.

Импульсный преобразователь и система управления установлены на электровозе ЧС200-007, принадлежащем локомотивному депо ТЧ-8. Образец системы установлен также в тяговой лаборатории ПГУПС.

С электровозом были совершены опытные поездки, в ходе которых был выявлен ряд недочётов в программном обеспечении системы управления. А именно: при превышении максимальных значений тока якоря регулятор прекращал работу, вызывая срабатывание защиты. Также было отмечено неудовлетворительное качество регулирования.

ISSN 1815-588 X. Известия ПГУПС 2008/1

Общетехнические и социальные проблемы

193

На рисунке 10 представлена реальная осциллограмма момента входа электровоза в режим торможения. Видно, что регулятор не успевает отрабатывать ошибку регулирования.

Рис. 10. Осциллограммы опытной поездки на электровозе ЧС200-007

С целью устранения данных недостатков в лаборатории был проведён ряд мероприятий. На рисунке 11 представлена осциллограмма лабораторного испытания. Было устранено «зависание» регулятора при превышении током максимального значения.

ISSN 1815-588 X. Известия ПГУПС 2008/1

Общетехнические и социальные проблемы

Рис. 11. Осциллограммы лабораторных испытаний На рисунке 12 представлены осциллограммы, полученные при устранении запаздывания регулятора в переходных режимах (сымитирован переход ТЭД в режим самовозбуждения). Это было достигнуто вводом контура регулирования по напряжению возбуждения.

Рис. 12. Осциллограммы лабораторных испытаний

ISSN 1815-588 X. Известия ПГУПС 2008/1

Общетехнические и социальные проблемы

195

В настоящее время Октябрьская железная дорога заинтересована в создании подобной системы, поэтому в ближайшем будущем ожидаются завершающие опытные поездки с электровозом.

Заключение

Испытания показали возможность построения системы управления на базе одного микропроцессорного контроллера, работающего в реальном масштабе времени. Вычисление тормозной силы с помощью аппроксимации кривой намагничивания логарифмической функцией позволяет приблизить тормозные характеристики электровоза к ограничению по сцеплению. МПСУ и ТИП могут быть достаточно унифицированы для различных типов подвижного состава.

Библиографический список

1. Электродинамический тормоз электровозов ЧС2Т и ЧС200 / Ф. Раба, Л. Кир, И. Гончарук. - М. : Транспорт, 1978. - 80 с.

2. Электронный регулятор RV 04-66E1. Техническое описание. NES Nova Dubnica, s.r.o., 1984.

3. Повышение эффективности реостатного тормоза / В. О. Иващенко, Е. В. Ткаченко, Е. Л. Киселёв // Известия Петербургского университета путей сообщения. -СПб. : ПГУПС, 2006. - Вып. 3. - С. 33-37.

УДК629.45/46(075)

А. П. Никодимов, Л. В. Цыганская

ПРЕДЛОЖЕНИЯ ПО ВЫБОРУ ПАРАМЕТРОВ ВАГОНА ДЛЯ НЕГАБАРИТНОГО ШТРИПСА

Появилась потребность в вагонах для перевозки между цехами предприятия негабаритного штрипса размерами 8...40 х 4500 х 12 100...18 300 мм. Рассмотрены варианты использования существующих моделей платформ с поддоном и увеличением ширины рамы до 4500 мм. Предложены расчетные модели, определены напряжения в конструкции, даны рекомендации по переоборудованию платформ.

вагон-платформа, негабаритный штрипс, поддон, переоборудование.

Введение

ISSN 1815-588 X. Известия ПГУПС 2008/1