автореферат диссертации по транспорту, 05.22.07, диссертация на тему:Импульсное регулирование рекуперативно-реостатного торможения с самовозбуждением на электропоездах постоянного тока

ПЕТЕРБУРГСКИ!! ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ПУТЕЙ СООБЩЕНИЯ

ЧУДАКОВ Александр Иванович

На правах рукописи

УДК 629.1.077-593

ИМПУЛЬСНОЕ РЕГУЛИРОВАНИЕ РЕКУПЕРАТИВНО-РЕОСТАТНОГО ТОРМОЖЕНИЯ С САМОВОЗБУЖДЕНИЕМ НА ЭЛЕКТРОПОЕЗДАХ ПОСТОЯННОГО ТОКА

05.22.07 — Подвижной состав железных дорог и тяга поездов

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

САНКТ-ПЕТЕРБУРГ 1094

Работа выполнена в Петербургском государственном университете путей сообщения.

Научный руководитель —

доктор технических паук, профессор, заслуженный работник транспорта РФ Алексей Владимирович ПЛАКС

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор Виктор Ефимович СКОБЕЛЕВ;

кандидат технических наук, доцент

Олег Игоревич ШАТНЕВ

Ведущее предприятие — служба локомотивного хозяйства Октябрьской железной дороги.

Защита состоится . . . Р^. . . . 1994 г.

в Л.Ъ/3?. час. на заседании специализированного совета Д 114.03.02 Петербургского государственного университета путей сообщения (190031, С.-Петербург, Московский пр., д. 9, ауд.?-^.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Университета.

Отзывы па автореферат в двух экземплярах, заверенные печатью, просим направлять в совет Университета.

Автореферат разослан «. .'. » января 1994 г.

П.

Ученый секретарь специализированного совета кандидат технических ниук,

доцент Б. В. РУДАКОВ

обцая характеристика работы

Актуальность. Бережное использование топливно-энергетических ресурсов является ваяной задачей, направленной на снижение себестоимости перевозок. Решение этой задачи может быть достигнуто как внедрением новых, так и совершенствованием существующих типов подвижного состава.

Большая часть пригородных участков железных дорог России электрифицирована на постоянном токе и обслуживается электропоездами ЭР2, не имеющими электрического торможения. Оборудование этих электропоездов рекуперативно-реостатным тормозом позволит экономить электроэнергию, снизить расход тормозных колодок и износ бандажей и одновременно повысить безопасность движения. Предложенная кафедрой "Электрическая тяга" совместно с Октябрьской железной дорогой система торможения [2] позволяет осуществлять рекуперацию при напряжении на тяговых электродвигателях УРТ-110 не более 1500 3. На первом этапе испытаний обмотки возбуждения ТЭД при торможении получаги питание от. .контактной сети через импульсный преобразователь, рассчитанный на полное напряжение сети. Использование для этих целей источника пониженного напряжения позволит существенно упростить и удешевить возбудитель, повысить надежность его работы и системы торможения в целом.

Цель и задачи работы. Целью настоящей работы является усовершенствование системы рекуперативно-реостатного торможения электропоездов ЭР2 за счет применения регулируемого самовозбуждения от ступени тормозного резистора. Эта цель достигается решением следующих задач:

1. Разработка возбудителя с питанием обмоток возбуждения ТЭД от ступени тормозного резистора.

2. Выбор законов и способов регулирования тормозной силы

i соответствии с ограничениями по ТЭД и с учетом особенностей работы системы при регулируемом самовозбукдении от ступени резистора .

3. Разработка системы автоматического регулирования тормозной силы.

4. Экспериментальные исследования разработанной системы рекуперативно-реостатного торможения электропоезда.

Методика исследования. В работе использованы методы теории импульсного регулирования, электрических цепей, автоматического управления и электрической тяги.

Основные результаты теоретических исследований подтверждены экспериментами на опытном электропоезде ЭР2-450 в процессе наладочных испытаний и опытной эксплуатации на участке Ржевка-Горн Октябрьской железной дороги.

Научная новизна.

1. Рекуперативно-реостатное торможение на электропоезде

ЭР2 при существующих ограничениях ТЭД возможно при регулируемом . самовозбуждении от ступени тормозного резистора, которое по сравнение с независимым возбуждением от соти позволяет сократить количество полупроводниковых приборов в возбудителе в 2 раза и уменьшить его массу в 2,8 раза.

2. Фаэо-идаульсннй преобразователь позволяет регулировать самовозбуждение от ступени тормозного резистора по существующим ограничениям ТЭД УРТ-110 без применения широтно-импульсной модуляции.

3. Регулирование тормозной, силы в зоне вывода ступеней тормозного резистора по закону Хт » const дает уменьшение пульсаций тормозной силы в 2,7 раза по сравнению с законом -tonit.

4. Питание усилителей импульсов управления тиристорами от

вторичной обмотки дросселя насыщения через конденсаторный нако-

2

тгатель энергии и использование в управлявших элементах волоконно-оптического кабеля в качестве гальванического разделителя устраняет электромагнитнуо связь силовой цепи и цепи управления, что исклвчает их взаимные помехи.

Практическое значение. Разработанная система рекуператив-но-реостатного торможения испытана на электропоезде ЭР2-450 в опытной эксплуатации на Октябрьской железной дороге. При напряжении на ТЗД не ваше 1500 В может быть обеспечен возврат в среднем 8,9$ потребленной электроэнергии, а расход тормозных колодок уменьшается в 2 - 2,5 раза.

Апробация работы. Диссертационная работа обсуждалась на заседаниях кафедры "Электрическая тяга" ПГУПС в 1989, 1992, 1993 гг. Основные результаты работы доложены на научно-практической конференции ЛИИЯТа и Октябрьской железной дороги к 150-летии отечественных железных дорог в 1987 г. Получен диплом ПИИТа за лучшуи научнуи работу по транспортной тематике в 1992 г. .

Публикации. По результатам исследований опубликовано 6 печатных работ, получено 1 авторское свидетельство и 2 положительных решения НИИ1Т1Э на изобретения.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, замечания и содержит 143 стр. машинописного текста, 57 стр,иллюстраций, 13 таблиц, а так же 3 приложения.

Библиография. Список использованной литературы содержит 55 наименований.

СОДЕРЯАНИЕ РАБОТЫ

Зо введении отмечена актуальность оборудования электрическим тормозом электропоездов ЗР2, самых распространенных на железных дорогах РОссии. Указано на целесообразность использования в системе электрического торможения регулируемого самозсзбужде-

>шя от ступени резистора, определены цель и задачи работы.

3 первой главе обоснована возможность регулируемого самовозбуждения тяговых двигателей электропоезда от ступени тормозного резистора, оценена технико-экономическая эффективность и дано описание разработанной системы рекуперативно-реостатного торможения.

Эффективность электрического тормоза на электропоездах ЭР2 доказана исследованиями системы рекуперативно-реостатного торможения, которая на первом этапе имела независимое возбуждение от контактной сети через импульсной преобразователь [2]. Последовательное соединение якорей тяговых двигателей и включение между группами якорей тормозного реостата позволило обеспечить допустимые потенциальные условия на коллекторах ТЭД и устойчивость рекуперации. Регулирование тормозной силы осуществляется:

- в зоне ограничения тормозной силы потенциальными условиям! на коллекторах ТЭД ивменениеи тока возбуждения;

- в зоне работы с предельными токами двигателей - выводом ступеней тормозного реостата при постоянном токе возбуждения.

Испытания системы на Ленинград-Финляндском отделении Октябрьской железной дороги в 1287 году показали, что рекуперативно-реостатный тормоз обеспечивает сокращение расхода электрической энергии до 15% по сравнению с обычным поездом и уменьшает расход тормозных колодок. При этом в зоне скоростей 70-35 км/ч эффективность электрического тормоза выше служебного колодочного. Система обладает высокой гибкостью управления и позволяет максимального использовать тормозные возможности электропоезда ЭР2. Однако, питание обмоток возбуждения от контактной сети обуславливает следующие недостатки:

- зависимость тормозного процесса от напряжения в сети;

4

- сложность и связанные с ней большая масса, размеры и стоимость импульсного преобразователя;

- напряженные условия работы изоляции обмоток возбуждения, которая в процессе торможения находится под воздействием высоковольтных импульсов напряжения;

- необходимость использования быстродействующей защити обмоток возбуждения и полупроводниковых приборов при возможных срывах коммутации импульсного преобразователя.

Эти недостатки устраняются применением регулируемого самовозбуждения от ступени тормозного резистора. При этом дополнительно повышается надежность торможения, которое монет продолжаться независимо от наличия напряжения в контактной сети. 8 работе проведено сравнение технико-экономических показателей тиристорных преобразователей фазоимпульсного типа (массы,'стоимости, количества полупроводниковых приборов) для случаев питания обмоток возбуждения от сети и от ступени тормозного резистора. Условие сравнения - использование однотипных полупроводниковых приборов и равенство токов нагрузки преобразователей. Результаты сравнения (табл.1) указывают на целесообразность питания обмоток возбуждения от ступени резистора.

Таблица 1.

Сравниваемые показатели

Количество диодов, шт.

Количество тиристоров, шт.

Масса преобразователя, кг

Стоимость преобразователя, оуб. ( в ценах ноября 1992 г.)

Способ питания ОВ

от сети от ступени резистора

В 4

6 2

378 133

157700 73700

При этом появляются дополнительные преимущества, обусловленные отсутствием группового соединения приборов преобразователя. Это

отсутствие шунтирующих - цепей и упрощение средств управления тиристорами.

Упрощенная силовая и функциональная схема разработанной системы автоматического регулирования тормозной силы (САР ТС) приведена на рис.1. В режиме электрического торможения две группы тяговых электродвигателей 1-2 и 3-4 соединены последовательно,и мевду ними включен тормозной реостат tr [7]. Обмотки возбуждения 0BI-0B4 питаются от ступени t тормозного резистора . через тиристорно-иыпульсный прерыватель Щ1. Параллельно якорям тяговых двигателей через тиристор V$j включен резистор ^ замещающего реостатного тормоза. Начальное возбуждение двигателей осуществляется от контактной сети через контактор K¿ , резистор tj и диод VD& . Ток рекуперации протекает в контактную сеть через диоды рекуперации VDp^uVDpZ.

При торможении САР ТС реализует режимы:

1. рекуперативно-реостатное торможение с автоматическим

■ повышением уставок тормозного тока в соответствии с ограничением По межламельноцу напряжению ТЭД в диапазоне скоростей 130 км/ч-69 км/ч;

2. рекуперативно-реостатное торможение с максимальной уставкой тормозного тока в диапазоне скоростей 69 кы/ч - 37 кы/ч ;

3. реостатное доторыаживание при скоростях ниже 37 км/ч;

4. автоматическое замещение рекуперации при отсутствии потребителя.

Процесс торможения поясняется токовой диаграммой рис.2.

Расчетный экономический эффект от применения такой системы торможения составляет 73 тыс.руб. на одну моторвагонную секцию в ценах ноября 1992 года.

Во второй главе рассмотрены особенности импульсного возбудителя, работающего от ступени тормозного резистора, получена математическая модель для исследования квазиустановивимхся процессов в нём, установлены особенности этих процессов, выявлена регулировочные свойства возбудителя, получено выражение для выбора сопротивления питасщего резистора и определены условия, при которых необходимо делать этот выбор.

В отличие от традиционных схем импульсных преобразователей в исследуемом возбудителе Б(рис.3) обмотки возбуждения 031 - 031 ТоД выполняет функции реактора входного фильтра [9]. Это позволило уменьшить размера, массу и стоимость возбудителя. Дополнительно в схему преобразователя введены диоды и УД5 . Диод УШисклпчает короткое замыкание конденсатора фильтра С при открытом состоянии тиристорно-импульсного прерывателя ТИП. Диод ЭД5 предотвращает разряд конденсатора С через питаиций резистор ? в переходных режимах при скачкообразном уменьшении тока рекуперации. Для выявления особенностей работы и регд-чиро-вочних свойств возбудителя рассмотрены квази-установившеся электромагнитные процессы. При решении систем дифференциальных уравнений, описываюдах эти процессы а интервалах открытого и закрытого состояния ТИП получены расчетные соотношения для определения в зависимости от коэффициента заполнения Лследусщкх величин:

уЗ - коэффициента регулирования возбуждения; ^Птах ~ максимального тока прерывателя; и0 и ит1п - максимального и минимального напряжения конденсатора фильтра;

сЛ1с - пульсации напряжения на конденсаторе фильтра. С цельи упрощения выражений произведена их линеаризация. 3 таблице 2 приведены точные и линеаризованные выражения для расчета

указанных величин в относительных единицах.

Таблица 2.

Величина расчетная фо точная р м у л а линеаризованная

н Л 1

, (*-е"ЛТА){/-е''_А,%} -с г*-*"1 11-е~Г/Г) У + Я

у _ ТптаХ ¿пта 2р - С-е-™) Г (,_е-Г/*)

о ТрЪ г (/ -

77 — 1ЛпШ ипИЛ 1рЪ / л «-е'**) Р (/ /-/•Л

Тг- ±Ус 'Ч-Тр*

Ц1-/Х)

В таблице 2: - сопротивление обмоток возбуждения;

Т - период управления;

Т = 2-С - постоянная времени питающей цепи. В таблице 2 приведено так же выражение для эквивалентного сопротивления цепи обмоток возбуждения . Это-среднее за период управления Т сопротивление между узлами а и 5 включения питающего резистора (рис.З). Зависимость от коэффициента заполнения необходимо учитывать при расчете тормозных характеристик. Погрешности расчета по линеаризованным формулам зависят от соотношения 'Си Т. Оценочные расчеты показывают, что для исследуемого возбудителя допустимые для конденсаторов фильтра

пульсации 10-15% от среднего значения напряжения получаются при

Для таких соотношениям и Тпогрешности расчета по линеаризованным формулам величин р и д1/"с меньше а величин 3-птаХ »и превышают Ю/£. Поэтому при расчетах последних трех величин целесообразно использовать точные формулы.

По результатам расчета установлено, что регулировочные свойства возбудителя, определяемые! регулировочной характеристикой £ (Я) зависят от соотношения сопротивлений питающего резистора и обмоток возбуждения (рис.4). Из анализа графиков следуют выводы:

- регулировочные характеристики возбудителя нелинейны и имеют явно выраженный максимум при Л ;

- при заданном сопротивлении обмоток возбуждения ^ увеличение сопротивления питающего резистора Ъ приводит к увеличению максимального коэффициента регулирования возбуждения, который при определенных условиях может быть больше 1, т.а. обеспечить усиление возбуждения ТЭД; ;;

- рабочий диапазон изменения коэффициента заполнения должен составлять, от 0 до > что обеспечивает изменение коэффициента регулирования возбуждения от 0 до;

- при Л>ЛМснижается, что в замкнутой системе регулирования тормозного тока приведет к неустойчивой работе.

Анализ линеаризованной формула для регулировочной характеристики возбудителя позволил получить выражения для максимального коэффициента регулирования возбужденияи соответствующего ему коэффициента заполнения Лм:

¿м=0,5У?7?£ (1)

Лм = Щ П (2)

.Соотношение величини Лм определяется гиперболой0,5, которая на рис.4 показана пунктиром.

На рис.5 показаны зависимости в функции отношения

сопротивлений . Из кривой (% /2 ) видно, что при условии 2д/2>0,25 у5м>1| т.е. обеспечивается режим усиления возбуждения ТЗД.

Величину сопротивления питащего резистора ч необходимо выбирать из выражения (1), подставив в него значение требуемого коэффициента регулирования возбуждения рм :

При таком выборе величина сопротивления "2 , потери энергии в нём и скорость окончания рекуперации будут минимальны. В формулу (3) необходимо подставлять сопротивление для максимально допустимой температуры обмоток возбуждения, при которой отношение максимально, а получаемый Лм минимален. Для более низких температур обмоток возбуждения и меньших отношениях -3-требуемое значение коэффициента регулирования возбуждения будет обеспечено.

В третьей главе рассмотрены принципы регулирования тормоз- . ной силы, выбрани способ модуляции напряжения на обмотках возбуждения и тип импульсного прерывателя. Для этого установлены закон и способ регулирования тормозной силы с учетом её ограничений по потенциальным условиям на коллекторах и по току электродвигателей, рассчитаны граничные значения коэффициента заполнения и определен требуемый рабочий диапазон его изменения.

В зоне высоких скоростей движения регулирование тока рекуперации осуществляется изменением тока возбуждения при неизменном сопротивлении тормозного реостата. Допустимые по потенциальным условиям на коллекторах ТЗД токи рекуперации определены по формуле А.Б.Иоффе для максимального межламвльного напряжения 1ГМ с учетом особенностей регулируемого самовозбуждения от ступени резистора. Напряжение на коллекторах ТЗД и козф-

(3)

фициент регулирования возбуждения, входящие в эту формулу являются нелинейными функциями коэффициента заполнен;-!.- ТИП и зависят от напряжения сети Uc и температуры обмоток возбуждения:

U„=CL-UK[l+6(£i +Л)] (4)

где а. и В - коэффициенты, зависящие от особенностей электродвигателя; и .uA^Ù-AMIp

----;--(5)

С использованием полученного выражения (4) определена зависимости 1р «Г) и В (îT) от скорости движения 1) допустимых токов рекуперации и тормозной силы, при которых меяламельное напряжение равно максимально допустимому для двигателя ЗГРТ-ИО. Анализ полученных зависимостей показал:

- повышение напряжения в сети отС/^ » 2700 В доЦ; » 3800 В при неизменной температура обмоток возбуждения приводит к снижении допустимых токов рекуперации в среднем на 2.0%, а изменение допустимой тормозной силы при этом составляет 10%;

- наименьшие токи рекуперации допускаются при наибольшем напряжении в сети Uc = 3800 В, которое принято за расчетное;

- влияние температуры обмоток возбуядения на допустимые токи рекуперации и тормознув силу несущественно.

Полученная для расчетного напряжения сети нелинейная зависимость Tp[lf) заменена ступенчатым приближением. Уто позволяет регулировать тормознув силу по простейшему закону Tj*const с изменяЕщишся уставками. Для выбора целесообразного их количества проведено сравнение средних тормозных сил, получаемых при регулировании по нелинейному закону и по его ступенчатому приближение с числом уставок от 1-й до 4-х. Сравнение выполнено для диапазона скоростей от i/мттах до tfynmin и дву* способов ■приближения:

1. = const при л!р1* liât-, 2. ilpi'const при - tfaz ,

где интервал скорости, в котором реализуется уставка Ipi;

лТр1~ приращение уставки;

i)нгтах ж НО км/ч - максимальная скорость начала торможения для Петербургского к.д.узла;

^"нтт'т " 6® км/ч - нижняя граничная скорость зоны ограничения для расчетного напряжения сети.

Установлено, что при трех уставках средняя тормозная сила ступенчатого приближения составляет 87,4% и 88,85? от значения, получаемого при нелинейном законе Ip(tf) соответственна для первого и второго способа. При четырех уставках средняя тормозная сила возрастает незначительно - на 3,5% и 2,4% соответственно. Поэтому принятое число уставок - три, а способ ступенчатого приближения - с одинаковым приращением уставки ¿.Ipi™ const , при котором средняя тормозная сила больше на 1,4%.

В зоне средних скоростей, где действует ограничение по токам якоря и возбуждения,, регулирование тормозной силы возможно аа счет изменения коэффициента заполнения или сопротивления тормозного реостата. Для выбора наиболее рационального закона регулирования проведено сравнение двух систем торможения: одной - с ваконом Tg»const , другой - с законом Ij = const . В первой системе при выводе ступеней тормозного реостата пульсирует ток рекуперации, во второй - ток возбуждения. Сравнение выполнено при условии равенства средних значений тормозных сил и токов рекуперации для напряжения в контактной сети 3800 В и использовании при торможении ступеней пускового реостата. Сравнивались пульсации тормозной силн, затраты мощности на возбуждение и значения скоростей окончания рекуперации. По результатам сравнения выбрана система с законом регулирования If-COftst , у которой пульсации тормозной силы в 2,7 раза меньше и отсутствуют броски тормозной силы при выводе ступеней тормозного реостата. Кроме то-

12

го, при законе Ту - Const случайный вывод нескольких ступеней тормозного реостата срезу сопровождается уменьшением тормозной силы, а в системе с законом Tg = const происходит нарастание тормозной сила. Поэтому, система с законом If^const имеет лучшие противоюзовне свойства.

Рабочий диапазон изменения коэффициента заполнения импульсного преобразователя при сопротивлении питающего резистора Z » 4,6 ом равен 0,035^Л -0,47. При использовании обычных тиристоров такой диапазон может реализовать только преобразователь с фазо-импульсной модуляцией. Параметры контура коммутации такого преобразователя, питающегося от ступени резистора необходимо выбирать о учетом пульсации напряжения на конденсаторе фильтра, которая зависит от соотношения сопротивлений обмоток возбуждения и питащего резистора.

В четвертой главе рассмотрены принципы построения системы для автоматического регулирования тормозной силы в соответствии с принятым законом и способом.

САР ТС включает (рис.1):

- тиристорно-импульсный прерыватель ТИП, регулирующий ток возбуждения в процессе торможения и блок его управления БУ ТИП, обеспечивающий реализацию принципа регулирования тормозного тока по отклонению в соответствии с допустимой от скорости движения уставкой;

- блок управления реостатным контроллером БУРК, вырабатывающий команды управления его приводом на вывод ступеней тормозного реостата;

- блок начального возбуждения БНВ, управляющий работой контактора начального возбуждения и доставляющий в БУРК информацию о состоянии этого контактора;

- блок контроля сети BSC, вырабатывающий команды включения

тиристора VSj замещающего реостатного торможения;

- блок защиты от юза B3D, формирующий сигналн уменьшения уставки тормозного тока и включения тиристора VS¿ при юзе. Необходимая для работы САР ТС информация поступает от датчиков тока якоря ДТЯ, тока возбуждения ДТЗ, напряжения сети ДНС, и rea Д01 и ДЮ2.

В системе с импульсным регулированием тока возбуждения от ступени тормоэногр резистора надежность процесса самовозбуждения обеспечивается подключением возбудителя к контактной сети контактором через резистор замечающего реостатного торможения ^; Процесс начального возбуждения автоматизирован. Алгоритм управления при этом обеспечивает:

- плавное нарастание уставки тормозного тока в соответствии с ограничением по потенциальных условиям на коллекторах ТЭД;

- вывод ступеней тормозного реостата в случае, если тормозной ток не достигает уставки при увеличении коэффициента' заполнения до максимального значения. -

Отключение контактора tf¿ происходит по команде релейного элемента РЭЗ блока БНВ при возрастании тормозного тока до уставки. Сигнал отключения формируется элементом сравнения ЭС1, когда сигнал Uj, датчика ДТЯ становится равным сигналу задания Uj ,

Блок БУ ТИП (см.pic.1) изменяет коэффициент заполнения ТИП, чтобы обеспечить регулирование тормозного тока с заданной уставкой. Напряжение управления tly , определяющее коэффициент заполнения, формируется ПИ регулятором. Ошибка регулирования А , поступающая на ого вход вычисляется элементом сравнения 5С2 как разность сигналов Us датчика ДТЯ и Uj задания уставки. Сигнал Ug формируется функциональным преобразователем ФП". Особенность использованного ФП - ступенчатая зависимость между его входным сигналом Ug от датчика тока возбуждения ДТВ, косвенно вависящим

14

от скорости движения, и выходным сигналом задания , пропорциональным уставке тормозного тока. Изменение сигнала при торможении происходит аналогично зависимости на

рис.2. Соответствуйте изменение сигнала и^ датчика ДТЗ отображено зависимостью Т^ (?/). Сигналы управления тиристорами прерывателя ТИП формируются управляющим элементом УЗ.

3 работе отмечены недостатки применяемых на подвижном составе УЭ с трансформаторным выходом, обусловленные использованием импульсного трансформатора в качестве гальванического разделителя низковольтных и высоковольтных цепей. Исследован формирователь с волоконно-оптическим кабелем без выходного импульсного трансформатора. Установлено, что отсутствие импульсного трансформатора и применение оптического кабеля

- устраняет влияние длительности формируемых импульсов на скорость нарастания тока управления тиристора и позволяет повысить эту скорость, что сокращает время включения тиристора, уменьшает потери;

- повышает надевность работы тиристоров ва счет исключения электромагнитной связи мейду цепями силовой и управления;

- повышает пожаробезопасность.

Гальваническое разделение низковольтных и высоковольтных цепей по входу усилителя импульсов управления посредством оптического кабеля требует решения вопроса о питании усилителей. Исследован вариант питания от вторичной обмотки дросселя насыщения [8] , который является неотъемлемой частью импульсных преобразователей. Особенности этого способа питания состоят в следующем:

- энергия от силовой цепи через дроссель насыщения может быть получена в течение короткого интервала времени перехагни-чивания сердечника дросселя (10-20 мкс);

- амплитуда импульса на вторичной обмотке дросселя может достигать несколько сотен вольт;

- энергия должна быть передана к усилителям, находящимся под различными потенциалами силовой цепи.

Разработан источник питания усилителей, который учитывает эти особенности. Такой- источник питания содеркит:

- конденсаторный накопитель энергии с изменяющейся схемой включения конденсаторов;

- высокочастотный транзисторный преобразователь напряжения с разделительными трансформаторами.

В алгоритме управления транзисторными ключами преобразователя предусмотрен запрет на их отпирание во время перемагничи-вания сердечника дросселя. Это исключает приложение высоковольтного импульса к первичным обмоткам разделительных трансформаторов. Время подачи отпирающего сигнала к транзисторам преобразователя равно 0,25 периода управления. Это исключает одновременное нахождение транзисторных ключей в открытом состоянии, что предотвращает короткое замыкание конденсаторного накопителя и возможные при этом значительные потери запасенной в нем энергии.

При рассмотрении особенностей работы реостатного контрол-лзра в системе с регулируемым самовозбуждением от ступени резистора установлено, что команда перехода на очередную реостатную позицию должна формироваться по условию Л = ЛМр или ,

■ где ЛКрг^^^-расчетяые значения максимальных коэффициента заполнения и тока возбуждения. Это снижает потери энергии в обмотках возбуждения и повышает устойчивость системы регулирования тормозного тоха. При начальном возбуждении команда перехода подается к приводу реостатного контроллера {РК) непрерывно, а при сауовозбуждении отменяется после начала вращения вала РК и формируется внозь не ранее чем через 0,9 с. Это реализуется разра-

16

ботанннм блоком управления реостатным контроллером БУРГС (рис.1). Основной функциональный элемент блока - логическое устройство ЛУ. Оно формирует команду X поворота вала РЗГ, которая передается к его приводу через промежуточный элемент ПЗ. Формирование команды осуществляется на основе анализа логических сигналов II -а;5. Сигнал XI максимального коэффициента заполнения вырабатывается при совместном функционировании задающего элемента ЗЭ1, элемента сравнения ЗСЗ и релейного элемента РЭ4 блока БУ ТИП. Сигнал 12 максимального тока возбуждения формируется релейным элементом Р32 при сравнении выходных сигналов задающего элемента 332 и датчика ДТВ. Сигнал 13 - тактовый сигнал генератора управления ГУ, определяющий интервал времени между моментами формирования команды поворота РК. Сигнал 14 отмены команды поворота формируется чувствительным элементом 431 при срабатывании привода РК. Сигнал Л5 включенного состояния контактора Кд формируется чувствительны!! элементом 432 в процессе начального возбуждения двигателей.

С целью прекращения возникшего гоа блок контроля разбаланса БКР формирует сигнал уменьшения уставки тормозного тока. Одновременно, по команде релейного элемента Р31 включается тиристор УЗ^ замечающего реостатного тормотания.

САР ТС размещена в корпусе блока управления преобразователя ТИП-1320 от электропоезда ЭР12 и выполнена на 14 печатных платах с использованием микросхем серий 140 и 511 и оптоэлект-ронных приборов.

3 пятой главе рассмотрены результаты проведенных экспериментальных исследований. В задачу исследований входило:

- оценка регулировочных свойств разработанного импульсного возбудителя и соответствия их расчету;

- оценка работоспособности управляющих элементов и источ-

ника их питания, соответствия режимов и параметров их работы требуемым;

- проверка работы системы электрического торможения электропоезда, оценка технико-экономической эффективности электрического тормоза по сравнении со служебным колодочным и экономии электроэнергии за счет возврата ее. при рекуперации.

Исследования возбудителя, управляющие элементов тиристоров и источника их питания проводились на макетном электропоезде 3?2-837-838. Питание возбудителя осуществлялось от контактной сети через реостат замещающего тормоза.

Испытания возбудителя подтвердили его работоспособность и соответствие регулировочных свойств расчетным. При питании возбудителя от контактной сети с напряжением 3300 В и сопротивлении питающего резистора 2 = 6,2 Ом получен максимальный коэффициент регулирования возбуждения^б = 1,3, что отличается от расчета на

При изменении коэффициента эаполенния в рабочем.диапазоне ток возбундения регулировался от 20 А до 160А.

Исследование управляющих элементов тиристоров и источника их питания от дросселя насыщения подтвердили правильность выбран* ных схемотехнических решений. Источник питания обеспечивает отбор от силовой цепи необходимого количества энергии, её преобразование и получение постоянного напряжения низкого уровня для питания усилителей импульсов-управления. Импульсы управления тиристорами на выходе системы управления имеют амплитуду и длительность: на включающей части 3,5А и 20 мке, на поддерживающей части 0,83А и 100 икс. Применение в управляющих элементах волоконно-оптического кабеля позволило исключить импульсный трансформатор, обеспечить защиту от электромагнитных наводок, получить скорость нарастания тока управления тиристора 7 А/мкс. Эта скорость и ^орма импульсов не 8ависят от их длительности.

18

Исследования системы электрического торможения проводились при наладочных испытаниях отдельных моторных вагонов в составе макетного электропоезда ЭР2-867-868, а затем при тормозных и энергетических испытаниях сформированного пестивагон-ного электропоезда ЭР2-450, в опытной эксплуатации на участке Ржевка Горы Октябрьской железной дороги.

В процессе наладочных испытаний отдельных моторных вагонов электропоезда ЭР2-450 установлено, что разработанная система рекуперативно-реостатного торможения с обратной связью по току якоря работоспособна и реализует заданные режимы торможения. Переключение уставок тормозного тока в соответствии с выбранным законом регулирования обеспечивает нормальные потенциальные условия на коллекторах электродвигателей.

Испытания электропоезда ЗР2-450 и опытная его эксплуатация на Октябрьской железной дороге показали, что эффективность рекуперативно-реостатного торможения не ниже служебного колодочного. На рис.б представлены опытные зависимости тормозного пути 5ти времени торможения ¿У незагруженного пестивагонного поезда в функции скорости начала торможения . Режим электрического торможения двумя моторными вагонами для порожнего электропоезда эквивалентен режиму торможения тремя вагонами с коэффициентом загрузки поезда 1,5. Полученный в опытных поездках средние тормозные замедления при начальных скоростях торможения 98-55 км/ч составляют 0,55-0,68 м/с8. При этом в контактную сеть было возвращено от 9 до 18? потребленной на тягу электроэнергии. При комбинированном торможении - электрическом трех моторных вагонов и колодочном трех прицепных реализуется тормозное замедление 0,8 м/с2, что в 1,3-1,5 раза выле, чем при служебном колодочном. Рекуперируемая энергия зависит от скорости начала торможения. Расчитано, что при эксплуатации электропоезда ЭР2-450 по суиест-

вующему графику на участках Петербург-Зеленогорск и Петербург-Васкелово возврат энергии составит в,9%.

Пробег электропоезда ЭР2-450 в опытной эксплуатации на участке Ржевка-Горн за период с 15.05.93 г. по 30.09.93 г. составил 36 тыс.км.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

3 работе получены следующие научные и практические результаты:

1. Система рекуперативно-реостатного торможения для электро-, поездов ЭРЕ с импульсным регулированием самовозбуждения от ступени тормозного резистора может использоваться для. служебного торможения до остановки и регулировочного Торможения на участках ограничения скорости. При этом, в процессе торможения не превышается предельно, допустимые для двигателей УРТ-1Ю ограничения.

2. Замена независимого возбуждения от сети регулируемым самовозбуждением от ступени резистора позволила:

- сократить количество полупроводниковых приборов в возбудителе в 2 раза, снизить его массу в 2,8 раза;

- упростить возбудитель, систему тормоаения и повысить надежность злоктрического тормоза.

3. Регулирование тормозной силы при ограничениях по потенциальным услозиям ка коллекторе и по перегрузочной способности тягового двигателя производится по единому закону регулирования 1т=С0ПзЬ , который реализуется пропорционально-интегральным регулятором тормозного тока.

4. Регулирование тормозной силы в зоне вывода ступеней тормозного резистора по закону 1т"С0ПЛЬ дает уменьшение пульсаций торкочной силы в 2,7 раза по сравнении с законом =C0ПSt .

5. С целью исключения взаимных помех за счет электромзгнкт-

ной связи силовой цепи и цепи управления з качестве гальванического разделителя возможно применение волоконно-оптического кабеля. При этом питание усилителей импульсов управления тиристорами обеспечивается от вторичной обмотки дросселя насыщения через конденсаторный накопитель энергии.

S. Экономический эффект от применения разработанной системы за счет возврата электроэнергии и сокращения расхода тормозных колодок в ценах ноября 1S92 года составляет 73 тис.руб. на одну моторвагоннуо секцию.

7. Разработанная система смонтирована на электропоезде ЭР2-450, который находится в опытной эксплуатации на участке Ряевка-Горы Ленинград-Финляндского отделения Октябрьской иелез-ной дороги. Пробег электропоезда за период с 15.05.93 по 30.09.93 составил Зо тысяч км.

Основные положения диссертации опубликованы в следующих работах:

1. Некрасов В.И., Левитский B.D., Зеленченко А.П., Чан-дер O.K., Чудаков А.И. Повышение эффективности рекуперативного тормоза электроподвияного состава с тиристорно-икпульсннм управлением. //Электротехника. - 1287. - Р 4. - с.22-23.

2. Левитский B.D., ЧандерО.К., Зеленченко А.П., Чудаков А.И. Улучшить тягово-энергетические свойства электропоездов ЗР2. //Электрическая и тепловозная тяга.-1989.2. - с.30-31.

3. Чудаков А.И. Ограничение тормозной силы по потенциальным условиям при рекуперации с импульсным регулированием самовозбуждения. //Молодые ученые и аспиранты Петербургского института инженеров ж.д.транспорта: Тезисы докладов. СПб-1992.-с.9-13.

4. Чудаков А.И. Система автоматического управления рекупзра-тивно-реостатным тормозом для электропоезда ЗР2. //Повышение надежности и эффективности полупроводниковых преобразователей в

устройствах электрических железных дорог: Межвузовский сборник научных трудов. - СПб.: ПИИТ - 1292. - с.100-107.

5. Левитекий Б.0., Чудаков А.И., Чандер O.K. Расчет регулируемого самовозбуждения при электрическом торможении электропоезда. //Перспективные системы и совершенствование устройств электрической тяги на железнодорожном транспорте: Юбилейный межвузовский сборник научных трудов. СПб.:ПЩТ.-1993.-с.75-78.

5. Зеленченко А.П., Чудаков А.И. О применении волоконно-оптических систем на электропоездах. //Перспективные системы и совершенствование устройств электрической тяги на железнодорожном транспорте: Рбилейный межвузовский сборник научных трудов. СПб.: ПИИТ. - 1993.-с.78-80.

7. Авт.свид.СССР t 1S01730. Нногодвкгательный электропривод. Б .И. Р- 39,1990. Левитский Б.Ю., Плакс A.B., Зеленчен-

ко А.П., Чандер O.K., Чудаков А.И. Билл. F 39, 1990.

8. Положительное решение ВНИИГПЭ от 09.01.92 по.заявке '

S 4922915/11 от £9.03.91 на изобретение: Устройство для импульсного регулирования тяговым электродвигателем транспортного средства. Авторы: Зеленченко А.П., Левитский B.D., Чудаков А.И., Чандер O.K., Беркович Е.И., Звягин А.Ф.

9. Положительное решение ЗНИИГПЭ от 03.01.92 по заявке F 483S0S7/C7 от 13.09.90 на изобретение: Многодвигательный электропривод. Авторы: Левитский B.D., Зеленченко А.П., Чандер O.K., Чудаков А.И., Киселёв В.П.

Функциональная схема САР ТС

I^lZljzilt- J [PMiädj

юкагая диаграмма

КМ я

120 100 80 60 40 Z0

rV-Vtfñx—

l \ [V ÜX

4 \

v.

Схема включения, возбудителя

■ГЖ

-I I Г J- ,_- D

О 40 80 120 160 200 A • -----J

Рис.2

Puc.3

Регулировочные характер!::: тики

ß

¥

Wï.%i

ofi

Op О/í

//

т

»ST!"

■г ¡o

i \

i > i—

i

rf

t-i-< 1

I Дм

L-

О 0,2 0,4 Ofi Ofi Iß

PucA

Зайишколи

\г 1.0

o,à

Ofi

Qfi 0.2

л,1 /м

\

\ К

\

X

/ -л

/

O Q2 Q4 qô Q& 1,0

PucS

Зависимости тормозного пути времени торможения Ь? от скорости начала торможения I' .

М

600

400

200

¿г

Г

! 1 Ч /4

/ /

/ / Уо

0 АО <! 0 Км/ч

С

до

б О АО 20

tr

1

/

£

/

АО 30 им /ч

1 - электрическое торможение двумя вагонами

2 - электрическое торможение тремя вагонами

3 - служебное колодочное торможение

4 - комбинированное торможение

Рис.6

Подписано к печати 18.01.94 г. Бесплатно Усл.п.л. 1,56. Печать ойсегвая. Бумага для ивогит. адп. Формат 60x84 1/1ь

1и£а2 1°2 _3аказ_)й_5^!>1_________________

ТилТ ПГУПС 190031 С-Петербург, Московский пр.,9