автореферат диссертации по электротехнике, 05.09.03, диссертация на тему:Система электрического торможения электропоезда постоянного тока

ВВЕДЕНИЕ.

1. ОБЗОР СУЩЕСТВУЮЩИХ СИСТЕМ

ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ТОРМОЖЕНИЯ ЭПС ПОСТОЯННОГО ТОКА.

1.1. Системы рекуперативного торможения отечественных грузовых электровозов.

1.2. Реостатное торможение пассажирских электровозов чехословацкого производства.

1.3. Применение импульсного регулирования в системах электрического торможения высокоскоростного ЭПС.

1.4. Особенности электрического торможения вагонов метрополитена.

1.5. Электрическое торможение ЭПС постоянного тока зарубежных железных дорог.

2. АНАЛИЗ СИСТЕМЫ РЕКУПЕРАТИВНО-РЕОСТАТНОГО ТОРМОЖЕНИЯ ЭЛЕКТРОПОЕЗДОВ ЭР2Т И ЭД2Т.

2.1. Применение рекуперативно - реостатного торможения.

2.2. Электрическое торможение электропоездов ЭР2Т и ЭД2Т на высоких скоростях.

2.3. Работа системы электрического торможения в области средних и низких скоростей.

3. СИСТЕМА ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ТОРМОЖЕНИЯ

ЭЛЕКТРОПОЕЗДА ПОСТОЯННОГО ТОКА ДО ПОЛНОЙ ОСТАНОВКИ.

3.1. Возможность реализации остановочного электрического торможения.

3.2. Система бортового электроснабжения электропоездов ЭР2Т и ЭД2Т.

3.3. Система остановочного электрического торможения.

4. ХАРАКТЕРИСТИКИ И ПОКАЗАТЕЛИ СИСТЕМЫ

ОСТАНОВОЧНОГО ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ТОРМОЖЕНИЯ.

4.1. Математическое моделирование электромеханических процессов в системе остановочного электрического торможения.

4.2. Характеристики системы остановочного электрического торможения.

4.3. Сравнение систем электрического торможения для электропоезда постоянного тока.

4.4. Экономическая эффективность применения остановочного электрического торможения.

В условиях развития рыночной экономики снижение стоимости перевозок, осуществляемых железнодорожным транспортом, невозможно без создания надежного и высокоэффективного подвижного состава, обладающего высокими технико-экономическими характеристиками и способного успешно конкурировать с другими видами транспорта.

Основным видом тяги на железных дорогах России является электроподвижной состав (ЭПС), возможности совершенствования которого далеко не исчерпаны. Одним из направлений, позволяющим улучшить технико-экономические показатели электроподвижного состава, является электрическое торможение.

Электрическое торможение - реостатное и рекуперативное - получило широкое применение на электроподвижном составе вследствие значительных преимуществ перед механическим [1,2,22]. По сравнению с механическим при электрическом торможении снижаются эксплуатационные расходы по смене тормозных колодок, а также время, затрачиваемое на это в депо приписки подвижного состава. В случае рекуперативного торможения, кроме того, обеспечивается экономия электроэнергии, расходуемой на движение поезда.

Электрическое торможение повышает надежность и безопасность эксплуатации: устраняется нагрев колодок и бандажей колесных пар при торможении на затяжных спусках, а также значительно уменьшается количество пыли от тормозных колодок, загрязняющей электрооборудование и путь, износ упряжных приборов; снижается опасность последствий юза, который, как правило не сопровождается заклиниванием колесных пар.

Особое преимущество электрического торможения заключается также и в том, что управление тормозным процессом существенно облегчается так как может быть достаточно легко автоматизировано.

Благодаря возможности получения механически устойчивой характеристики и 5 стабилизации скорости, а также тому, что тормозные колодки и бандажи колесных пар находятся в холодном состоянии и связанному с этим повышению эффективности экстренного механического торможения, допустимая скорость движения на спусках при электрическом торможении выше, чем при механическом.

Построение системы электрического торможения зависит, в основном, от вида тормозного процесса (торможение на спусках или остановочное), вида потребления электроэнергии (рекуперативное, реостатное, рекуперативно-реостатное), способа возбуждения двигателей в генераторном режиме (независимое, самовозбуждение), способа регулирования тормозного процесса (стабилизация скорости, тормозной силы, тормозного тока и т.д.) [22].

Большой вклад в исследование и развитие электрического торможения внесли такие ученые как JT.M. Трахтман, Б.Н. Тихменев, H.A. Ротанов, В.Д. Тулупов, A.A. Капустин, В.П. Феоктистов и другие. В настоящее время изыскания в этой области продолжаются ведущими научно-исследовательскими и проектными институтами железнодорожного транспорта.

Любые системы электрического торможения должны удовлетворять ряду общих требований: обеспечивать электрическую устойчивость, иметь минимально возможные отклонения от статических режимов при переходных процессах, которые могут возникнуть в нормальных эксплуатационных условиях; обладать высокими энергетическими показателями, обеспечивать эффективность и надежность действия, удобство управления электрическим тормозом, плавность приложения тормозной силы и т.д.

Эффективность рекуперативного торможения зависит не только от принятой системы электрооборудования на ЭПС, но и от режима потребления энергии в линии, а также от параметров всей системы электроснабжения.

На современном ЭПС для обеспечения тормозных характеристик, близких к предельным ограничениям (по скорости, по коммутации тяговых двигателей, по тормозному току, по мощности), повышения надежности и 6 удобства управления тормозом широкое применение получили системы бесконтактного автоматического регулирования процессов электрического торможения, выполненные на основе полупроводниковых статических преобразователей [26,40].

Наряду с применением электрического торможения как на поездах с электровозами, так и на электропоездах сохраняют механические тормоза, которые используют для интенсивного служебного и экстренного торможения совместно с электрическим; при отказе электрического тормоза, а также при дотормаживании ЭПС на низких скоростях до полной остановки.

С увеличением населения городов возрастает роль железнодорожного транспорта, перевозящего пассажиров на сравнительно небольшие расстояния, не превышающие 150-200 км при их следовании на работу и после нее, а также в зоны отдыха. Наиболее приспособленными к выполнению такого рода работы являются электропоезда, составленные из отдельных электросекций, состоящих из моторных и прицепных вагонов, и работающих по системе многих единиц [16].

Эксплуатируемые на железных дорогах России электропоезда можно условно разделить на две группы: имеющие электрическое торможение и не имеющие его. Значительную часть общего парка электропоездов без электрического торможения составляет серия ЭР2 постоянного тока и ЭР9 и ЭР9П переменного тока. Эти электропоезда выпускались Рижским вагоностроительным заводом в 1960-70 годах и их ресурс практически исчерпан. Электропоезда с электрическим торможением составляют меньшую часть общего парка, их создание началось с выпуска тем же заводом с 1983 г. электропоездов постоянного тока серии ЭР2Р, с Г987 г. серии ЭР2Т, а с 1986 серии ЭР9Т переменного тока. С распадом СССР стоимость рижских электропоездов перестала удовлетворять российских заказчиков и с 1993 г. начался выпуск электропоездов ЭД2Т Демиховским машиностроительным заводом. Основа электрической схемы этой серии во многом схожа со схемой 7 электропоезда ЭР2Т. Этим же заводом освоен выпуск электропоездов ЭД4 (с 1996 г.) и ЭД9Т (с 1996 г.). Параллельно началось производство электропоездов ЭТ2 на Торжокском машиностроительном заводе.

Несмотря на наличие электрического торможения, эффективно работающего в широком диапазоне скоростей, дотормаживание электропоезда до полной остановки производится механическим колодочным тормозом, что снижает общие технико-экономические показатели моторвагонного подвижного состава с электрическим торможением. Связано это с особенностями моторвагонной тяги, к которым можно отнести, во-первых, многочисленные торможения на остановочных пунктах, особенно вблизи крупных городов, во-вторых, большим количеством тормозных колодок на тяговую единицу. Эти факторы обуславливают большие эксплуатационные расходы на смену колодок в моторвагонных депо и их снижение является одной из важнейших задач повышения показателей электропоездов.

Особо следует отметить, что наиболее частые отказы системы централизации и блокировки (СЦБ) рельсовых цепей наблюдаются именно в непосредственной близости от остановочных пунктов пригородного движения, т.е. в тех местах, где уровень металлической пыли от тормозных колодок останавливающихся электропоездов наиболее высокий.

Целью данной диссертационной работы является разработка системы электрического торможения электропоезда постоянного тока, позволяющей реализовать необходимое усилие электрического тормоза до полной остановки.

Для достижения поставленной цели были решены следующие задачи:

1. Произведен обзор существующих систем электрического торможения ЭПС постоянного тока.

2. Исследована работа системы электрического торможения электропоезда ЭД2Т.

3. Разработана силовая схема электропоезда с остановочным электрическим торможением и система автоматического управления тормозным процессом. 8

4. Разработана математическая модель тягового привода перспективного электропоезда, исследованы электромагнитные процессы в его силовой схеме и динамические характеристики при движении в режиме торможения.

5. Исследованы тормозные характеристики перспективного электропоезда и влияние на них потерь в приводе.

6. Предложена методика определения дополнительной тормозной силы при электрическом торможении.

7. Обоснована экономия эксплуатационных расходов от применения остановочного электрического торможения. 9

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В результате исследований, проведенных в диссертационной работе, можно сделать следующие выводы.

1. Применение электрического торможения на ЭПС является необходимым, так как позволяет повысить безопасность движения, снизить эксплуатационные расходы по замене тормозных колодок и бандажей колесных пар, обеспечить экологичность перевозок и надежность функционирования рельсовых цепей за счет исключения попадания металлической пыли на путь, а также повысить эксплуатационные показатели.

2. Применение того или иного вида электрического торможения обусловлено типом ЭПС и задачами, которые он должен выполнять. Так, для ЭПС постоянного тока, предназначенного для грузового движения, характерно применение систем рекуперативного торможения с жесткими тормозными характеристиками для поддержания постоянной скорости на спуске. В пассажирском движении, в основном, применяются системы реостатного торможения с автоматическим регулированием. Они обеспечивают как постоянство скорости на спуске, так и ее регулирование в широких пределах. Электропоезда характеризуются использованием РК кроме тягового режима и при электрическом торможении на низких скоростях в режиме торможения с самовозбуждением.

3. Все многообразие систем электрического торможения ЭПС постоянного тока имеет критическую минимальную скорость окончания электрического торможения вследствие ограничений, накладываемых цепью возбуждения и схемными параметрами той или иной системы (наличие активного сопротивления якорной цепи, жесткость тормозных характеристик на низких скоростях и т.д.).

4. Анализ системы электрического торможения электропоездов серий ЭР2Т и ЭД2Т показал, что эффективность рекуперативно - реостатного торможения на них снижается из-за невозможности торможения электрическим тор

142 мозом до полной остановки.

5. Применение нескольких типов электрического торможения на электропоездах ЭР2Т и ЭД2Т является необходимостью для полного использования тормозных возможностей их электрической схемы.

6. Возможность реализации электрического торможения до полной остановки основана на применении реверсивного торможения (противовключения), причем питание тормозной схемы должно производиться не от контактной сети, а от низковольтного источника постоянного тока.

7. Анализ системы бортового электроснабжения электропоездов ЭР2Т и ЭД2Т показал, что в качестве источника пониженного напряжения может использоваться управляемый выпрямитель преобразователя собственных нужд, питающий постоянным током обмотки возбуждения двигателей в режимах электрического торможения с независимым возбуждением.

8. Сила, развиваемая электрическим тормозом при дотормаживании обеспечивает необходимую величину замедления без разрыва тормозного тока при переходе с одного типа электрического торможения на другое.

9. Алгоритм тормозного процесса при электрическом дотормаживании построен так, что позволяет полностью использовать все ступени реостатного контроллера электропоезда и избежать значительных потерь энергии в тормозных резисторах за счет продления действия реостатного торможения с самовозбуждением.

10. Математическое моделирование электромеханических процессов при электрическом торможении электропоезда с помощью комплекса "ЭЛТРАН" позволило с достаточной точностью выполнить анализ электромагнитных процессов в существующей системе электрического торможения электропоездов ЭР2Т и ЭД2Т, а также синтезировать силовую схему модернизированного электропоезда с последующей проверкой ее работоспособности.

11. Расчет тормозных характеристик реверсивного торможения наряду с результатами математического моделирования показал полное соответствие

144

1. Тихменев Б.Н., Трахтман JIM. Подвижной состав электрифицированных железных дорог: Учебник для вузов железнодорожного транспорта. М.: Транспорт, 1980.-471 с.

2. Осипов С.И., Осипов С.С. Основы тяги поездов. Учебник для студентов техникумов и колледжей ж/д тр-та М.: УМК МПС России, 2000. - 592 с.

3. Теория электрической тяги / В.Е. Розенфельд, И.П. Исаев, H.H. Сидоров, М.И. Озеров; Под ред. И.П. Исаева.- М.: Транспорт, 1995.-294 с.

4. Калинин В.К. Электровозы и электропоезда. М.: Транспорт, 1991. - 480 с.

5. Электровозы BJI10 и ВЛ10У. Руководство по эксплуатации. М.: Транспорт, 1981.-519 с.

6. Раба Ф., Кир Л., Гончарук И. Электродинамический тормоз электровозов ЧС2Т и ЧС200 (электронное оборудование). М.: Транспорт, 1978. - 80 с.

7. Лисицин А.Л., Никитин A.C., Моховиков Д.И. и др. Пассажирский электровоз ЧС2Т. Под общей ред. А.Л. Лисицина. М.: Транспорт, 1979. - 288 с.

8. Карасев И.И., Ратомский Л.П. Машинисту об электровозе ЧС7. М.: Транспорт, 1994. - 223 с.

9. Вейцман Л.Ю., Гавчук А.Н., Сребный В.Л. Тиристорно импульсный регулятор электропоезда ЭР200. - Труды ВНИИЖТ, 1978, вып. 596, с. 37-45.

10. Гуткин Л.В., Дымант Ю.Н., Иванов И.А. Электропоезд ЭР200. М.: Транспорт, 1981.- 192 с.

11. Руководство по эксплуатации вагонов метрополитена моделей 81-714 и 81717 / Акционерное общество "Метровагонмаш". М.: Транспорт, 1993. - 447 с.

12. Капустин Л.Д., Копанев A.C., Лозановский А.Л. Особенности устройства и эксплуатации электровоза ВЛ80Р. М.: Транспорт, 1979. - 175 с.

13. Шапиро О.Н. Новые типы магистральных электровозов в странах западной Европы. М.: ВНИИЭМ. Отделение научно - технической информации в электротехнике, 1964. - 35 с.145

14. Магистральные электровозы серии Е632/Е633 с импульсным регулятором. Glasers Annalen, 1983, №8/9, S. 280-296.

15. Locomotive E652. Full chopper controlled electric locomotive. ABB TRAZI-ONE, - 1992.

16. Цукало П.В., Просвирин Б.К. Эксплуатация электропоездов.- M.: Транспорт, 1994. 383 с.

17. Совершенствование электрооборудования электропоездов и высоковольтного оборудования пассажирских вагонов: Сб. Науч. тр./ Под ред. Г.Г. Гомо-лы.- М.: Транспорт, 1993. 128 с.

18. Комплект электрооборудования на электропоезд ЭД4. Руководство по эксплуатации. Книга 1. Техническое описание. Основные данные. Электрические схемы. ИДМБ 566661 005 РЭ1, 1994. 178 с.

19. Электропоезда. / З.М. Рубчинский, С.И. Соколов, Е.А. Эглон, JI.C. Лынюк. Под ред. З.М. Рубчинского. М.: Транспорт, 1983. - 415 с.

20. Цукало П.В., Ерошин Н.Г. Электропоезда ЭР2 и ЭР2Р. М.: Транспорт, 1986.-359 с.

21. Государственный стандарт союза ССР. Машины электрические вращающиеся тяговые. Общие технические условия. ГОСТ 2582-81. М.: Государственный комитет СССР по стандартам, 1981. - 50 с.

22. Ротанов Н.А., Захарченко Д.Д., Некрасов А.В., Иньков Ю.М. Проектирование систем управления электроподвижным составом / Под ред. Н.А. Ротанова. -М.: Транспорт, 1986. 327 с.

23. Магистральные электровозы. Электрические аппараты, полупроводникоаые преобразователи, системы управления / Бочаров В.И., Васько Н.М., Вольвич А.Г. и др.; Под ред. В.И. Бочарова, Б.А. Тушканова. М.: Энергоатомиздат, 1994. - 384 с.

24. Ранькис И.Я. Оптимизация параметров тиристорных систем импульсного регулирования тягового электропривода. Рига: Зинатне, 1985. - 183 с.146

25. Тормозное оборудование железнодорожного подвижного состава: Справочник / В.И. Крылов, В.В. Крылов, В.Н. Ефремов, П.Т. Демушкин. М.: Транспорт, 1989. - 487 с.

26. Тулупов В.Д. Автоматическое регулирование сил тяги и торможения электроподвижного состава. М.: Транспорт, 1976. - 308 с.

27. Капустин Л.Д. Электропоезда с электрическим торможением. М.: Транспорт, 1971 - 255 с.

28. Электропоезда постоянного тока с импульсными преобразователями / Под ред. В.Е. Розенфельда. М.: Транспорт, 1976 278 с.

29. Марквардт К.Г. Контактная сеть. 4-е изд. перераб. и доп. Учебник для вузов ж.-д. транспорта. М.: Транспорт, 1994. - 335 с.

30. Правила тяговых рачетов для поездной работы. М.: Транспорт, 1985.-287с.

31. Моделирование силовых электронных аппаратов на ПЭВМ. И.В. Иванов, Ю.К. Розанов, Ю.Б. Федотов / Под ред. Ю.С. Коробкова. М.: Изд-во МЭИ, 1996. - 87 с.

32. Microsoft Excel 2000: справочник. Под ред. Ю. Колесникова. СПб.: Питер, 1999, 480 с.

33. В.В. Фаронов. Система автоматизированного моделирования и параметрической оптимизации "СИАМ". Руководство пользователя. М.: Совместное советско - австрийское предприятие "Учебно - инженерный центр МВТУ - Фесто Дидактик", 1990. - 38 с.

34. Автоматизация электроподвижного состава. Учебник для вузов железнодорожного транспорта / А.Н. Савоськин, JI.A. Баранов, В.П. Феоктистов; Под ред. А.Н. Савоськина. М.: Транспорт, 1990. - 311 с.

35. Проектирование тяговых электрических машин. Учебное пособие для вузов железнодорожного транспорта. Изд. 2-е, перераб. и доп. Находкин М.Д., Василенко Г.В., Бочаров В.И., Козорезов М.А. Под ред. М.Д. Находкина. М.: Транспорт, 1976. - 624 с.147

36. Курбасов A.C., Седов В.И., Сорин JI.H. Проектирование тяговых электродвигателей. М.: Транспорт, 1987. 436 с.

37. Винокуров В.А., Попов Д.А. Электрические машины железнодорожного транспорта. Учебник для вузов. М.: Транспорт, 1986. - 511 с.

38. Протокол №7 испытания электродвигателя ТДЭ-235У1 на ЗИЛ-1 Демихов-ского машиностроительного завода.

39. Преобразовательные полупроводниковые устройства подвижного состава / Ю.М. Иньков, H.A. Ротанов, В.П. Феоктистов; Под ред. Ю.М. Инькова. М.: Транспорт, 1982. 263 с.

40. Солодунов A.M., Иньков Ю.М., Коваливкер Г.Н., Литовченко В.В. Преобразовательные устройства электропоездов с асинхронными тяговыми двигателями. Рига: Зинатне, 1991. - 351 с.

41. Тиристорное управление электрическим подвижным составом постоянного тока / В.Е. Розенфельд, В.В. Шевченко, В.А. Майгоба, Г.П. Долаберидзе. М.: Транспорт, 1970. 238 с.

42. Защита входного инвертора в бортовой системе электроснабжения. М.И.148

43. Озеров, М.Ю. Изварин, А.Е. Чекмарев, С.И. Чирин. Электротехнические системы транспортных средств и роботизированных производств. Сборник трудов МАМИ. Москва, 1997, с. 75-79.

44. Озеров М.И, Ротанов В.Н., Чекмарев А.Е. Система электрического торможе ния электропоезда постоянного тока. / Опубл. тезисы докладов VII международной конференции "Проблемы развития рельсового транспорта". Луганск. ВУГУ, 1997, с. 51-52.

45. Амелин В.М., Симанжонков О.В., Иньков Ю.М., Озеров М.И., Чекмарев

46. A.Е., Шур Я.И. Тестовое диагностирование цифровых систем управления преобразователями электроэнергии рельсового транспорта / Опубл. тезисы докладов VII международной конференции "Проблемы развития рельсового транспорта". Луганск. ВУГУ, 1997, с. 52-53.

47. Модернизация системы бортового энергоснабжения электропоезда ЭР2.

48. B.М. Амелин, М.И. Озеров, В.Н. Ротанов, А.Е. Чекмарев, С.И. Чирин. / Опубл. тезисы докладов VII международной конференции "Проблемы развития рельсового транспорта". Луганск. ВУГУ, 1998, с. 44.

49. Система остановочного электрического торможения электропоезда постоянного тока. В.М. Амелин, Ю.М. Иньков, М.И. Озеров, В.Н. Ротанов, А.Е. Чекмарев, Я.И. Шур, С .Я. Шур. "Наука производству", 1999, №5, с. 48-52.

50. Чекмарев А.Е., Куприянов М.В. Электрическое дотормаживание электропоезда постоянного тока. / Труды научно технической конференции "Неделя науки 99", М.: МИИТ, 1999, с. 114.

51. Розанов Ю.К. Основы силовой электроники. М.: Энергоатомиздат, 1992. -296 с.

52. Справочник по преобразовательной технике. Под ред. И.М. Чиженко. Киев: Техника, 1978. - 447 с.

53. Пудовиков О.Е. Система автоматического регулирования скорости движения перспективного электропоезда: Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук. М.: МИИТ, 2000. - 180 с.

54. Испытания системы электрического торможения (подвижного состава) до нулевой скорости (остановки). Quarterly Report of RIRI, 1999 Vol.40, №4, p.214-218.

55. Методические рекомендации по оценке инвестиционных проектов на железнодорожном транспорте. Приложение к указанию МПС России от 31.08.1998 № В-1024у. МПС, 1998. 124 с.