CC BY
29
УДК 629.423
О. В. МЕЛЬНИЧЕНКО (ИРГУПС), С. В. ВЛАСЬЕВСКИЙ (ДВГУПС)
Иркутский государственный университет путей сообщения, 664074, Россия, г. Иркутск, ул. Чернышевского 15, тел.: +7 (902) 170-24-37, e-mail: olegmelnval@mail.ru
Дальневосточный государственный университет путей сообщения, 680021, Россия, г. Хабаровск, ул. Серышева 47, тел.: +7 (914) 547-54-47, e-mail: vlas@festu.khv.ru
АВАРИЙНЫЕ ПРОЦЕССЫ НА ПЕРВОЙ ЗОНЕ РЕГУЛИРОВАНИЯ НАПРЯЖЕНИЯ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЯ ЭЛЕКТРОВОЗА ПЕРЕМЕННОГО ТОКА И ОБЕСПЕЧЕНИЕ ЕГО РАБОТОСПОСОБНОСТИ
Введение
Более 40 лет назад были созданы электровозы переменного тока с тиристорными преобразователями, в которых наиболее существенным изменениям подверглись их силовые схемы и системы управления. Общее количество элементов в таких электровозах стало на один -два порядка больше, чем на ранее выпускавшихся сериях электровозов. Так например, только в логической части аппаратуры управления первых электровозов серии ВЛ80Р насчитывается свыше 1500 элементов. Кроме того, в выходных каскадах выпрямительно-инверторных преобразователей (ВИП) было установлено около 4000 электронных элементов [1]. В настоящее время с развитием полупроводниковой и микропроцессорной техники на электровозах серий ВЛ80ТК, ЭП1, 2(3) ЭС5К количество применяемых электронных элементов на порядок стало меньше. В результате, надёжность работы электровозов должна была возрасти. Однако этого не происходит и выход из строя даже одного маломощного элемента системы управления у современного электровоза и по сей день может привести к возникновению ненормального режима его работы, в результате которого дальнейшее движение электровоза будет затруднено или невозможно. Таким образом, на сегодняшний день всё ещё сохраняется жёсткая зависимость качества работы силового оборудования электровоза от работы системы его управления.
Основные причины возникновения аварийных режимов преобразователей
Анализ характера, причин повреждений и режимов работы электрооборудования электровозов при выходе из строя тиристоров ВИП показал, что основная часть повреждений и сбоев работы силовой части электровозов происходят из-за повреждений электронных элементов и
© Мельниченко О. В., Власьевский С. В., 2013
сбоев в работе цепей системы управления. Половина таких отказов приходится на пропуск импульсов управления, подаваемых на управляющие электроды тиристоров плеч ВИП. Действительно, в настоящее время система управления построена таким образом, что в случае отказа любого выходного канала аппаратуры управления возникает отказ отдельных выходных каскадов системы формирования импульсов (СФИ) на всех ВИП электровоза. Например, отказ элементов в кассете выходных усилителей блока управления (типа БУВИП-133) приводит к отказу работы кассет СФИ ВИП. В итоге, это приводит к однократным или многократным броскам тока и напряжения ВИП, которые увеличивают продольную динамику подвижного состава и вероятность обрывов автосцепных устройств, снижают сцепление колёс локомотива с рельсами, снижают способность преодолевать тяжёлые элементы профиля пути.
Природа образования бросков тока тяговых двигателей электровоза с тиристорными преобразователями является многофакторной и, как правило, совершенно не устранима силами локомотивной бригады в процессе эксплуатации. В некоторых случаях обнаружить причину бросков тока удаётся только после нескольких дней непрерывных поездок, так как некоторые неисправности проявляют себя весьма кратковременно, например, при тряске локомотива в течение нескольких секунд.
Испытания электровоза серии ВЛ80Р на экспериментальном кольце ВНИИЖТ [2] показали, что пропуск даже одного импульса управления на плечи ВИП приводит к нарушению режима работы силовых цепей всего электровоза. В тяговом режиме, например, это может привести к быстрому снижению тока плеча ВИП в результате запирания тиристоров его ветвей, искажению синусоидальности кривой потребляемого переменного тока, увеличению пульсации выпрямленного тока, увеличению угла сдвига фаз ф и росту
реактивной энергии. В результате коэффициент мощности электровоза резко снижается. В тоже время это приводит к нарушению работы плеч ВИП в последующие полупериоды напряжения.
Цель работы
Перед технической системой - электровоз ставится задача, чтобы выход из строя любого элемента или узла системы управления не должен приводить к повреждениям силовых цепей электровоза или возникновению режима, сопровождающегося резкими бросками тока и напряжения. Многолетняя практика эксплуатации электровозов с тиристорными преобразователями показала, что наиболее ответственные цепи и элементы целесообразно резервировать для обеспечения высокой надёжности работы тиристорных преобразователей.
Технические решения по реализации поставленной цели
Чтобы выполнить это требование необходимо было предложить такие технические решения, которые могли бы обеспечить его выполнение. Такие решения были разработаны ИрГУПС и ДВГУПС в виде нового алгоритма управления ВИП и включения в силовую схему ВИП диодного плеча, которые были испытаны на электровозе ВЛ80Р на участке Иркутск-Слюдянка Восточно-Сибирской железной дороги.
В качестве примеров, рассмотрим несколько аварийных режимов работы ВИП, связанные с пропуском импульсов управления на те или иные его плечи, для электровоза переменного тока в режиме тяги с типовым (табл. 1) и предлагаемым (табл. 2) авторами алгоритмами управления на первой зоне регулирования выпрямленного напряжения совместно с включением в силовую схему ВИП диодного плеча.
Первая зона регулирования является важным режимом работы электровоза с поездом в диапазоне малых скоростей движения. На этих скоростях электровоз работает в режиме пуска и разгона поезда, при движении поезда на горном профиле пути по расчетному подъему на пределе сцепления при плохих погодных условиях и в других различных случаях.
Таблица 1
Типовой алгоритм управления ВИП на 1-й зоне регулирования
Зона полупериод Плечи выпрямителя
V3 V4 V5 V6
1 <- а0 - - аР
- ар а0 -
Таблица 2
Предлагаемый алгоритм управления ВИП
на 1-й зоне регулирования с включением диодного плеча в схему ВИП
Зона полупериод Плечи выпрямителя
V3 V4 V5 V6
1 <- аР - - аР
- аР аР -
Вначале рассмотрим пример аварийного процесса на 1-й зоне, связанный с пропуском импульса управления на пятое плечо выпрямителя (У85), при типовом алгоритме управления. На рис. 1 изображена диаграмма выпрямленного напряжения и токов плеч на 1-й зоне регулирования при пропуске импульса управления с углом отпирания (фазой) а0 на плечо У85 в первом полупериоде напряжения, обозначенном сплошной стрелкой, при Ор = 90 эл. град.
Проанализируем более подробно процессы работы плеч ВИП при смене полупериодов напряжения. Для этого на рис. 1 первый и второй полупериоды выпрямленного напряжения разбиваются на временные интервалы 0-1-2-3-4-5-л и 6-7-8-9-271 соответственно.
На рис. 2 изображены мгновенные силовые схемы замещения ВИП (а, б, в, г) в первом полупериоде напряжения сети при возникновении в нем аварийного процесса - пропуске импульса управления с фазой а0 на плечо У85.
Допустим, что в предшествующем полупериоде напряжения, обозначенном на рис. 2 пунктирной стрелкой, ток протекал по плечам У83 и У86 благодаря приложенной к ним положительного знака в этом полупериоде переменной е.д.с. е1_2 секции 1-2 вторичной обмотки тягового трансформатора. После смены в точке 0 направления э.д.с. с пунктирной на сплошную стрелку, на интервале 0-1 обеспечивается возникновение отрицательного выпрямленного напряжения щ (см. рис. 1). Это объясняется всё ещё проводимыми ток нагрузки тиристорами плеч У83 и У86, но уже не под действием с^. а под действием е.д.с. самоиндукции еь, возникшей в индуктивности цепи выпрямленного тока во время прохождения по ней тока нагрузки в предыдущий полупериод напряжения сети. В результате, через секцию 1-2 вторичной обмотки тягового трансформатора и плечи У83, У86 происходит разряд (передача) в сеть электромагнитной энергии, накопленной в индуктивности . В момент времени, соответствующий цифре 1 на рис. 1, согласно типового алгоритма управления должен быть подан импульс управления с фазой а0 на плечо У85 и
© Мельниченко О. В., Власьевский С. В., 2013
должна произойти коммутация (переход) тока с плеча У83 на плечо У85 на интервале 1-2. Однако коммутации на этом интервале не возникает в силу того, что на плечо У85 импульс управления с фазой а0 не подается (пропуск импульса). Причиной не подачи импульса, например, является возникновение неисправности в системе управления ВИП (в БУВИП или в СФИ). При этом отрицательное напряжение ид
иа "
В
возрастает, а ток нагрузки протекает через открытые плечи У83 и У86 под действием еь. На интервале 2-3 отрицательное напряжение щ продолжает возрастать (см. рис. 1), так как ток нагрузки все ещё протекает через открытые плечи У83 и У86 под действием С[ . Мгновенная схема замещения ВИП во временных интервалах 0-1-2-3 представлена на рис. 2, а.
0 -► ч---- 2 34 5 67 8
1 ! К 1 «0, !, ¡л WTTTTTTTTTTTTT i 271 cot
А2 * ТПТПТггг^—! 1 !i ГГ111111111111т+
оп Ivs4 А Lh^TTTtt-t-!-^ 71 ! 1 2 я cot
о lvs5 А р4 Аварийное плечо ! Г 1 ж\ 1 12л cot
0П Iys6 ТПТПТгти ! 71 1 i J-1- L^ttttttTTÏÏT ! 2зг cot --ч-►
2 л Ш
Рис. 1. Диаграмма выпрямленного напряжения и токов плеч на первой зоне регулирования при пропуске
импульса управления с фазой ао на плечоУ85
б)
Д wA
VS2^ vsV\ VSV\
CP
Я1
58Д
CP CP
1-2-3 (а), 3-4 (6), 4-5 (в) и 5-71 (г) при пропуске импульса управления с фазой ао на плечо У85
© Мельниченко О. В., Власьевский С. В., 2013
В момент времени, соответствующий точке 3, разряд в сеть электромагнитной энергии, накопленной в индуктивности Ьс|, прекращается, ток в плечах У83 и У86 падает до нуля и плечи закрываются. В результате напряжение ис1 падает до нуля. Далее в промежутке времени от точки 3 до точки 4 напряжение щ продолжает быть равным нулю и ток нагрузки тоже равен нулю (см. рис. 1). Мгновенная схема замещения ВИЛ во временном интервале 3-4 представлена на рис. 2, б.
В результате подачи во временной точке 4 на плечо У84 импульса управления с углом отпирания Ор = 90 эл. град, образуется контур протекания импульсного тока через цепи блока выравнивания напряжения (БВН) плеч ВИЛ. В эти БВН входят резисторы Я|П шунтирующее тиристоры и цепочки Я С плеч ВИЛ. В этот момент времени изменением выпрямленного тока и напряжения можно пренебречь в силу их малости.
Ток в плече У84 является результатом появления контура тока, в котором имеется э.д.с. секций 1-2-Х1 вторичной обмотки тягового трансформатора, участок цепи из резисторов БВН плеч У83, У84 и У85, а также цепь выпрямленного тока (сглаживающий реактор и тяговые двигатели). Этот ток заряжает индуктивность Ц| , создавая э.д.с. самоиндукции С[.. которая затем разряжается в этом же контуре, поддерживая ток плеча У84 на более длительном времени, чем импульсный ток через БВН указанных плеч вначале открытия плеча У84 (см. рис. 1 и 5). Мгновенная схема замещения ВИЛ во временном интервале 4-5 представлена на рис. 2, в.
На интервале времени 5 -к напряжение ид продолжает быть равным нулю, так как на этом интервале плечо У84 закрыто и не проводит ток нагрузки. Этому процессу соответствует мгновенная схема замещения ВИЛ во временном интервале 5-л, представленная на рис. 2, г.
На рис. 3 изображены мгновенные силовые схемы замещения ВИЛ (а, б, в, г) для второго полупериода напряжения при возникновении аварийного процесса - пропуске импульса управления с фазой а0 на плечо У85 в первом полупериоде напряжения.
Во втором полупериоде, обозначенном на рис. 1 пунктирной стрелкой, в на интервале времени к-6 напряжение ид продолжает быть равным нулю, так как на этом интервале плечо У84 продолжает быть закрытым, а на плечо У83 еще не подан импульс управления, в результате чего они не проводят ток нагрузки.
Мгновенная схема замещения ВИЛ во временном интервале к-6, представлена на рис. 3, а.
В момент времени, соответствующий точке 6, на плечо У83 согласно алгоритма управления подаётся импульс управления с углом отпирания а0 (рис. 1). В результате подачи на плечо У83 импульса управления вначале образуется контур протекания тока утечки через плечо У83, цепь БВН плеч У84, У86 и У88, а также цепь выпрямленного тока под действием э.д.с. е1_2 секции 1-2 вторичной обмотки трансформатора. Этот контур тока утечки действует до точки 7 непродолжительное время, а именно пока не зарядится индуктивность Ьс| с образованием в ней э.д.с. самоиндукции еь. Мгновенная схема замещения ВИЛ во временном интервале 6-7, представлена на рисунке 3, б.
Затем в точке 7 создается другой контур тока, а именно контур тока разряда С[. через цепь выпрямленного тока, цепь БВН плеча У84 и плечо У83, минуя обмотку секции 1-2. К моменту времени, соответствующему точке 8, по мере разряда еь ток в плече У83 постепенно уменьшается, но не падает до нуля к точке 8 и поэтому это плечо не закрывается. Таким образом, оба контура тока действуют на интервалах времени 6-7 и 7-8 (см. рис. 1). На интервале времени 6-7 действия контура тока утечки выпрямленное напряжение щ имеет небольшую величину, так как большая часть э.д.с. е^г в виде падения напряжения тратится на большой величине сопротивления БВН плеча У84 при прохождении через него тока утечки. На интервале времени 7-8 действия контура тока разряда еь напряжение щ практически равно нулю в силу уменьшения тока разряда и малой величины сопротивления цепи выпрямленного тока. Мгновенная схема замещения ВИЛ во временном интервале 7-8, представлена на рис. 3, в.
В момент времени, соответствующий точке 8, на плечо У86 согласно алгоритма управления подается импульс управления с фазой Ор = 90 эл. град., плечо У86 открывается и начинает проводить ток. На интервале времени 8-9 коммутации токов плеч У84 и У86 не происходит, так как тока в плече У84 в этот момент времени нет (ток плеча У84 стал равен нулю еще в момент времени, соответствующий точке 4). Поэтому на интервале 8-9 и 9-2л; ток в плечах У83 и У86 резко возрастает под действием приложенной к ним положительного знака в этом полупериоде переменной е.д.с. е\_2 секции 1-2 (см. рис. 1). При этом выпрямленное напряжение ий также резко возрастает сначала до амплитудной величины напряжения 1-й зоны, а затем спадает до нуля в точке 2к. В итоге к тяго-
© Мельниченко О. В., Власьевский С. В., 2013
вым двигателям прикладывается половина напря- схема замещения ВИП во временном интервале 8-жения первой зоны регулирования. Мгновенная 9-2тг представлена на рис. 3, г.
|Д УиД У85Д
VS2^ VS4 \ VS6 ^ ^
в)
"F
3Ж X*
; 'ч 2 т ] -
VS2^ VS4^ П|У8бА
БВНМ .
5Z\
Рис. 3. Мгновенные схемы замещения ВИП на первой зоне регулирования, соответствующие интервалам времени п-в (а), 6-7 (б), 7-8 (в), 8-9-2л (г) при пропуске импульса управления с фазой а0 на плечо У 85
В следующий полупериод при пропуске импульса управления с фазой ао на плечо У85 электромагнитные процессы ВИП происходят аналогично описанным выше.
Чтобы детально изучить аварийные процессы была разработана математическая модель электровоза в среде схемотехнического проектирования ОгСасПб.О. В качестве объекта моделирования был выбран электровоз переменного тока, аналогичный существующему электровозу ВЛ80Р, работающий в режиме тяги. Работа этого электровоза была смоделирована при управлении преобразователем по типовому алгоритму и предлагаемому алгоритму с применением диодного плеча, включенного параллельно цепи выпрямленного тока.
Электровоз в модели рассмотрен как комплексная система, состоящая из нескольких подсистем, взаимодействующих между собой. Такими подсистемами является электрическая часть электровоза, контактная сеть и система управления электровоза. Электрическая часть электровоза представлена математической моделью, состоящей из тягового трансформатора, двух ВИП, двух сглаживающих реакторов и четырех тяговых двигателей. Система управления ВИП электровоза представляет собой схему, с помощью которой импульсы управления подаются на тиристоры плеч преобразователя согласно алгоритму управления. Для более точного отображения взаимного влияния переходных процессов в системе контактная сеть -электровоз в общей модели этой системы контактная сеть представлена конечноэлементной схемой замещения. Она состоит из каскадного
соединения Т-образных симметричных четырехполюсников.
Результаты моделирования процессов работы ВИП при штатном алгоритме управления в аварийном режиме тяги, связанном с пропуском импульса управления с фазой а0 на плечо У85, представлены на рис. 4 и 5.
S
Й 150-
\
ÛQ 240-
S 120-
й-120-
I
Время, мс
Рис. 4. Диаграмма выпрямленного напряжения и
тока тягового двигателя для типового способа управления в аварийном режиме тяги на 1 -й зоне регулирования при пропуске импульса управления с фазой а0 на плечо У85
На участке Татаурово - Боярский ВосточноСибирской железной дороги были проведении сравнительные испытания электровоза ВЛ80Р №1829 в тяговом режиме для штатного и предлагаемого алгоритмов управления на первой зоне регулирования при аварийных режимах
О Мельниченко О. В., Власьевский С. В., 2013
работы ВИП, связанные с пропуском импульса управления с фазой а0 на плечо У85. Диаграммы процессов работы ВИП по результатам этих испытаний представлены на рис. 6.
400
X
100
ш
10
Время, мс
20
Рис. 5. Диаграммы токов плеч ВИП на 1-й зоне регулирования с типовым способом управления в аварийном режиме тяги при пропуске импульса управления с фазой а0 на плечо У85
350 "I
; 200-
5 150-и S 0Q
ч g 100. H
0-
реактивнои энергии, что резко снижает энергетические показатели электровоза, а выпрямленный ток двигателя резко падает с 300 А до нуля, образовывая броски тока.
2. Во втором полупериоде выпрямленное напряжение является регулируемым и величина его зависит от положения штурвала машиниста электровоза, а выпрямленный ток двигателя резко возрастает от нуля до 300 А, также образовывая броски тока.
Если рассматривать в качестве аварийного процесса работы ВИП с типовым алгоритмом управления пропуск импульса управления с фазой ар на плечо У86 в полупериод напряжения сети, обозначенный на рис. 1 пунктирной стрелкой, то выпрямленное напряжение щ на всем протяжении этого полупериода будет равно нулю, а в следующем полупериоде (сплошная стрелка на рис. 1) к тяговым двигателям будет прикладываться уже полное напряжение 1-й зоны. Такой аварийный процесс работы ВИП, полученный с помощью математического моделирования, представлен на рис. 7 и 8.
§ 320-H
160-
360-
Ü 240-
S 120-
и *
~7л "Hi 1
/ s ■v / J
Л, t—
£ A V-
H k
H У
-г г pj - -1
J
4
10
Время, мс
20
■50 J -480
0 5 10
Время, мс
Рис. 6. Экспериментальные диаграммы выпрямленного напряжения и тока тягового двигателя при типовом алгоритме управления в аварийном режиме тяги при пропуске импульса управления с фазой а0 на плечо УБ5
Сравнивая процессы на рис. 4 и 6 можно сказать о том, что наблюдается высокая сходимость электромагнитных процессов, полученных при математическом моделировании и при проведении испытаний электровоза.
Таким образом, оценивая электромагнитные процессы, происходящие в электровозе при типовом алгоритме управления на 1-й зоне в аварийном режиме тяги при пропуске импульса управления с фазой ао на плечо У85 ВИП, можно сделать следующие выводы:
1. В течение первой половины времени первого полупериода напряжения происходит рост
Рис. 7. Диаграммы выпрямленных напряжения щ и тока 1(1 тягового двигателя при типовом способе
управления ВИП на 1 -й зоне регулирования в аварийном режиме тяги при пропуске импульса управления с фазой Ор на плечо У86
0 5 10 15 20
Рис. 8. Диаграммы токов плеч ВИП на 1-й зоне регулирования с типовым способом управления в аварийном режиме тяги при пропуске импульса управления 6-го плеча ВИП
О Мельниченко О. В., Власьевский С. В., 2013
На рис. 9 изображены экспериментальные диаграммы выпрямленного напряжения и тока тягового двигателя при типовом способе управления ВИП на 1-й зоне регулирования в аварийном режиме тяги при пропуске импульса управления с фазой ар на плечо У86, полученные во время испытаний электровоза на участке Татаурово — Боярский Восточно-Сибирской железной дороги.
<
f 480-
\t-4- -А / - it;-™ pJ iL
0 5 10 15 20
Время, мс
Рис. 9. Экспериментальные диаграммы выпрямленного напряжения и тока тягового двигателя при типовом способе управления ВИП на 1 -й зоне регулирования в аварийном режиме тяги при пропуске импульса управления с фазой Ор на плечо У 86
Сравнение диаграмм процесса работы ВИП на рис. 7 и 9 показывает их хорошую сходимость. Из диаграмм видно, что выпрямленный ток двигателя электровоза резко не уменьшается до нуля как на рис. 4 и 6 (нет бросков тока), однако он становится не регулируемым и определяется величиной напряжения полной 1-й зоны в одном из полупериодов. При движении
Ud В
Iys3 А
Iys4
А
Iys5
А
о
о
к
I
!vs6 V
А Д
Tvd А
23
электровоза на этой зоне с определенной скоростью такой аварийный режим тяги не представляет опасности. Однако, если рассматривать этот аварийный процесс при трогании электровоза с места, то ток двигателя будет возрастать резким броском до тока уставки защиты силовой цепи, так как к двигателю в один из полупериодов будет прикладываться напряжение полной 1-й зоны в отсутствии противо-ЭДС двигателя. При таком аварийном процессе ВИП, привести в движение электровоз будет невозможно.
Чтобы устранить негативные результаты в работе электровоза на 1-й зоне регулирования от возникновения аварийных процессов в режиме тяги при пропуске импульсов управления на плечо УБ5 или УБ6 необходимо, как уже было сказано выше, применить на 1-й зоне новый алгоритм управления ВИП и включить в его силовую схему разрядное диодное плечо УО [3]. Суть нового алгоритма управления заключается в том, что на все плечи ВИП по два в каждом полупериоде напряжения подаются импульсы управления с фазой ар (см. табл. 2). Плечо УЭ включается параллельно цепи выпрямленного тока.
Рассмотрим на рис. 9 электромагнитные процессы в электровозе при действии предлагаемых технических решений. Также как и в предыдущем случае первый полупериод разбиваем на временные интервалы 0-1-2-3-4-л;, а второй полупериод на интервалы 5-6-7-8-27Г.
^PHîtttt^L
271 Ш
к
Аварийное плечо
И
2л cot
2 к Ш
-é-
I
;2л ш
2п ш
2я Ш
Рис. 10. Диаграмма выпрямленного напряжения и токов плеч ВИП с предлагаемым алгоритмом управления и диодным плечом УБ на 1-й зоне регулирования при пропуске импульса управления фазой ар на плечоУ85
О Мельниченко О. В., Власьевский С. В., 2013
-120
0_
7
к
к
к
к
71
На рис. 11 изображены мгновенные силовые схемы замещения ВИЛ (а, б, в, г) с предлагаемым алгоритмом управления и плечом УБ на 1-й зоне регулирования в первом полупериоде
vslZ\
напряжения сети при возникновении в нем аварийного процесса - пропуске импульса управления с фазой Ор на плечо У85. Проанализируем их работу
VS,A
Рис. 11. Мгновенные схемы замещения ВИП на 1-й зоне регулирования с предлагаемым алгоритмом управления и диодным плечом УЭ. соответствующие интервалам 0-1 (а); 1-2 (б); 2-3-4 (в); 4-71-5-6 (г) при пропуске импульса управления фазой Ор на плечо У85
Допустим, что в предшествующем полупериоде напряжения, обозначенном на рис. 9 пунктирной стрелкой, ток протекал по плечам У83 и У86 благодаря приложенной к ним положительного знака в этом полупериоде переменной е.д.с. секции 1-2 вторичной обмотки тягового трансформатора. После смены в точке 0 направления э.д.с. е^г с пунктирной на сплошную стрелку, на интервале времени 0-1 начинается коммутация (переход) тока с плеч У83 и У86 на плечо УБ. Такая коммутация возникает потому, что благодаря наличию плеча УБ э.д.с. самоиндукции С[ . возникшая в ин-дуктивностях Ьс| цепи выпрямленного тока, создает буферный контур протекания тока через это плечо и тем самым возникают потенциальные условия для закрытия плеч У83 и У86. К точке 1 токи плеч У83 и У86 падают до нуля и плечи закрываются. Таким образом, на интервале времени 0-1 через плечо УБ происходит разряд электромагнитной энергии, накопленной в индуктивностях Ьс| в предыдущий полупериод напряжения сети. Ток буферного контура проходит через плечо УБ, минуя секцию 1-2 вторичной обмотки тягового трансформатора. Благодаря такому контуру выпрямленный ток двигателя на интервале 0-1 в аварийном полупериоде практически не уменьшается и поддерживается на прежнем уровне, что сохраняет работоспособность электровоза.
Мгновенная схема замещения ВИП на интервале времени 0-1 приведена на рис. 10 а. На интервале 1-2 ток протекает через плечо УБ,
разряжая накопленную электромагнитную энергию в Ьд. При этом выпрямленное напряжение будет равняться нулю. Мгновенная схема замещения ВИП во временном интервале 12 представлена на рис. 10, б.
В момент времени, соответствующий цифре 2 на рис. 9, при пропуске импульса управления с фазой Ор на плечо У85 перехода тока с плеча УБ на плечи У84 и У85 на интервале 2-3 не происходит. Образуется контур протекания тока утечки через плечо У84 и цепь БВН плеч У83, У85 и У87 под действием напряжения секции 1-2 вторичной обмотки. Плечо УБ остается открытым, поддерживая тем самым ток нагрузки. Мгновенная схема замещения ВИП во временном интервале 2-3 представлена на рис. 10, в. На интервале 3-4 ток утечки продолжает протекать по образовавшемуся контуру через плечо У84 и цепь БВН плеча ВИП. Выпрямленное напряжение при этом также равняется нулю. Мгновенная схема замещения ВИП во временном интервале 3-4, представлена на рисунке 10, в. К моменту времени, соответствующему точке 4, по мере снижения величины напряжения секции 1-2 ток плеча У84 падает до нуля и плечо закрывается. При этом выпрямленное напряжение продолжает быть равным нулю. На интервале 4-71-5-6 ток продолжает протекать через плечо УБ, причём выпрямленное напряжение также равняется нулю. Этому соответствует мгновенная схема замещения ВИП во временном интервале 4-71-56, представленная на рис. 10, г.
© Мельниченко О. В., Власьевский С. В., 2013
На рис. 12 представлены мгновенные схемы ным плечом УО при пропуске импульса управ-замещения ВИП на 1-й зоне регулирования с ления на плечо У85, соответствующие интер-предлагаемым алгоритмом управления и диод- валам времени 6-7 (а) и 7-2п (б).
б)
ïi
i2i\
È
vdA
58д
Рис. 12. Мгновенные схемы замещения ВИП на 1-й зоне регулирования с предлагаемым алгоритмом управления и диодным плечом УО при пропуске импульса управления с фазой ар на плечо У85, соответствующие интервалам 6-7 (а) и 7-2л (б)
В момент времени, соответствующий цифре 6, на плечи У83 и У86 приходят импульсы управления с фазой ар = 90 эл. град. На интервале 6-7 происходит коммутация токов плеч УО и У83, У86 (токи в плечах У83 и У86 возрастают, а в плече УО падает до нуля). При этом выпрямленное напряжение равно нулю. Мгновенная схема замещения ВИП в интервале 6-7 представлена на рис. 11, а.
На интервале 7-2к ток протекает через открытые плечи У83 и У86. К тяговым двигателям прикладывается напряжение, равное напряжению первой зоны в соответствии с заданным фазовым углом регулирования ар. Мгновенная схема замещения ВИП во временном интервале 7-2п представлена на рис. 11, б. В следующий период при пропуске импульса управления с фазой ар на плечо У85 электромагнитные процессы в ВИП происходят аналогично описанным выше.
Если рассматривать в качестве аварийного плечо У86 с предлагаемым алгоритмом управления на 1-й зоне регулирования, то существенной разницы с аварийным плечом У85 - нет. Электромагнитные процессы ВИП происходят аналогично описанным выше. Выпрямленное напряжение и ток двигателей электровоза второго полупериода остаётся регулируемым и зависит от положения штурвала машиниста электровоза.
На рис. 12 представлены диаграммы выпрямленного напряжения и тока тягового двигателя при математическом моделировании аварийного режима тяги при пропуске импульса управления фазой ар на плечо У85. На рис. 13 представлены диаграммы токов плеч ВИП при математическом моделировании аварийного режима тяги при пропуске импульса управления фазой (хр на плечо У85.
При проведении испытаний электровоза ВЛ80Р с предлагаемым алгоритмом управления ВИП на 1-й зоне регулирования и диодным плечом УО осуществлялся аварийный режим тяги,
вызванный пропуском импульса управления с фазой ар на плечо У85. На рис. 14 изображены экспериментальные диаграммы выпрямленного напряжения и тока тягового двигателя на 1-й зоне регулирования с предлагаемым способом управления и диодным плечом У О при пропуске импульса управления фазой ар на плечо У85.
cö U
« 320-
R.
M о H 160-
-+Г
<
\ É Lid
\
\ £
N
\
Рис. 13. Диаграммы выпрямленного напряжения и тока тягового двигателя на 1-й зоне регулирования с
предлагаемым способом управления и диодным плечом У Б, полученные при математическом моделировании аварийного режима тяги при пропуске импульса управления с фазой Ор на плечо У85
400
С
s
PQ
300
200
100
1
iï'VD ivs 6 —^
р / \
h У S 11
/ \ "
-
h S4
/
Время, мс
Рис. 14. Диаграммы токов плеч ВИП на 1-й зоне регулирования с разрядным диодным плечом в аварийном режиме тяги при пропуске импульса управления с фазой ар на плечо У85
О Мельниченко О. В., Власьевский С. В., 2013
n «
о
Е- .
КПо и его влияния на корректирующий коэффициент X, который в свою очередь влияет на величину потерь выпрямленного напряжения от коммутации вентилей преобразователя (потери напряжения на индуктивном сопротивлении обмоток трансформатора) и как следствие на величину коэффициента мощности электровоза.
КПо и X определяются по формулам
0 5 10 15 20
Время, мс
Рис. 15. Экспериментальные диаграммы выпрямленного напряжения и тока тягового двигателя на 1-й зоне регулирования с предлагаемым способом управления и диодным плечом УБ при пропуске импульса управления фазой ар на плечо УБ5
Сравнение осциллограмм на рис. 12 и 14 показывает хорошую сходимость электромагнитных процессов, полученных при математическом моделировании и при проведении испытаний электровоза (расхождение не более 3 %).
Анализ и сравнение аварийных процессов ВИП при штатном и предлагаемом алгоритмах управления представляет собой особый интерес с точки зрения оценки переходного процесса выпрямленного тока (резкие изменения величины тока в виде образования его бросков). Через такое сравнение процессов можно оценить возможность движения электровоза с поездом без образования негативных последствий для его электрооборудования. Эту оценку можно осуществить через определение коэффициента относительной пульсации выпрямленного тока
Кпо~ Aid/Id? X = 1 + 0,2 Кпо
(1) (2)
где Id - среднее значение выпрямленного тока,
Aid — переменная составляющая выпрямленного тока.
По условиям коммутации коллекторных тяговых электрических двигателей электровоза коэффициент относительной пульсации выпрямленного тока должен быть не более 0,6. Самый тяжелый режим по броскам тока на первой зоне регулирования при типовом алгоритме управления образуется, когда на плечо VS5 не приходит импульс управления. Для этого аварийного режима проведём его количественную оценку в сравнении с таким же аварийным процессом при применении предлагаемого алгоритма управления. Из полученных токовых диаграмм аварийных режимов (см. рис. 6 и 13), определим коэффициент относительной пульсации для типового и предлагаемого алгоритмов управления и произведём расчёт корректирующего коэффициента X. Результаты расчёта заносим в табл. 3.
Таблица 3
Сравнительные значения коэффициентов КПо и X в аварийном режиме при типовом и предлагаемом алгоритмах управления
S 480
№ № Типовой алгоритм Предлагаемый алгоритм
зоны плеча Idcp Aid Кпо X Idcp Aid Кпо
0,5 5 150 660 4,4 1,88 632 176 0,27 1,05
По результатам табл. 3 видно, что коэффициенты Кпо и X при применении предлагаемого алгоритма управления с диодным плечом меньше на 93 % и 44 % соответственно по сравнению с типовым алгоритмом и без применения диодного плеча.
При пропуске импульса управления на плечо У85 в ВИП с предлагаемым алгоритмом управления на первой зоне регулирования возникает резерв плеча У85, не принявшего нагрузку, за счёт разрядного диодного плеча УБ, что даёт возможность машинисту электро-
воза довести поезд до ближайшей станции без образования опасных бросков тока двигателей, при которых движение поезда становится не возможным.
Определение коэффициента мощности при аварийных процессах с учётом несинусоидальности кривых переменного напряжения и тока в первичной обмотке тягового трансформатора электровоза производилось при проведении эксперимента с помощью счетчика активной и реактивной энергии переменного тока типа СЭТ-1М по формуле
О Мельниченко О. В., Власьевский С. В., 2013
км =■
k=1
и0!0 +u\I\C0Sh + ■■■ + ukIkC0S^k
u20 +
\к=О и=0 где и о, 10 - постоянные составляющие напряжения и тока; 11 ¡- I - действующие значения синусоидальных напряжения и тока 1-й гармоники; £4 1к - действующие значения синусоидальных напряжения и тока к-й гармоники; щ - угол сдвига фазы между напряжением и током к-й гармоники. Результаты замеров заносим в табл. 4.
Таблица 4
Сравнительные значения коэффициента мощности в аварийном режиме при типовом и предлагаемом алгоритмах управления
Ul+- + Uî
4
/02+/12+...+/2
(3)
№ зоны Коэффициент мощности
Плечо ВИП Типовой алгоритм Предлагаемый алгоритм Разница, %
0,5 5 0,118 0,224 90
Данные табл. 4 показывают, что коэффициент мощности при предлагаемом алгоритме выше, чем при типовом на 90 %. Это говорит о повышении активной и снижении реактивной мощности питающей сети в аварийном режиме при предлагаемом алгоритме управления на первой зоне регулирования с разрядным диодным плечом.
Выводы
1. Пропуск импульса управления с фазой а0 на плечо У85 при типовом алгоритме управлении ВИП образует значительный рост реактивной энергии, что резко снижает энергетические показатели электровоза. Выпрямленный ток двигателя резко падает до нуля, образовывая броски тока, которые приводят к срабатыванию токовой защиты электровоза.
2. Пропуск импульса управления с фазой Ор на плечо У86 при типовом алгоритме управле-
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ источников
1. Капустин, Л. Д. Обеспечение надёжности системы управления электроподвижного состава с тиристорными преобразователями [Текст] Л. Д. Капустин // Вестник ВНИИЖТ. - 1975. - №2. - С. 5-9.
2. Тихменев Б. Н. Потенциальные условия работы тиристоров в выпрямительно-инверторном преобразователе электровоза ВЛ80Р [Текст] / Б.Н. Тихменев, Ю.В. Басов, В.В. Находкин // сб. науч. тр. ВНИИЖТ. - 1984. - М. - С. 9-20.
3. Патент № 2322749 Российская Федерация, МПК Н02М 5/42, В60Ь 9/12, 2006 г.; Опубл. 20.04.2008; Бюл. № 11. Способ управления многозонным выпрямителем однофазного переменного
нии ВИП образует не регулируемый выпрямленный ток двигателя электровоза, так как в первом полупериоде выпрямленное напряжение всегда равно нулю, а во втором полупериоде к тяговым двигателям всегда прикладывается полное напряжение первой зоны.
3. Пропуск импульса управления с фазой Ор на плечо У86 при типовом алгоритме управлении ВИП приводит при трогании электровоза с места к резкому возрастанию тока в виде его броска до тока уставки защиты силовой цепи, что приводит к срабатыванию токовой защиты электровоза. При таком аварийном процессе ВИП привести в движение электровоз не предоставляется возможным.
4. Предлагаемый алгоритм управления на 1-й зоне регулирования при пропуске импульсов управления с фазой Ор на плечи У85 или У86 образует их резервирование за счёт разрядного диодного плеча УБ. Величины выпрямленных значений напряжения и тока двигателей электровоза всегда остаются регулируемыми и зависят от положения штурвала машиниста электровоза. Это даёт возможность машинисту электровоза довести поезд до ближайшей станции без образования опасных бросков тока двигателей.
5. Сравнительные значения коэффициентов КПо и л в аварийном режиме при применении предлагаемого алгоритма управления с разрядным диодным плечом по сравнению с типовым алгоритмом ниже на 93% и 44% соответственно.
6. Коэффициент мощности электровоза на 1-й зоне регулирования в аварийном режиме при предлагаемом алгоритме управления по сравнению с типовым алгоритмом выше на 90 %.
REFERENCES
1. Kapustin L.D. Obespechenie nadezhnosti si-stemy upravleniya elektropodvizhnogo sostava s tiristornymi preobrazovatelyami [Ensuring the reliability of the control system of electric rolling stock with thyristor converters] Vestnik Vserossiyskogo nauchno-issledovatel'skogo instituta zheleznodorozhnogo transporta [Bulletin of the Russian Scientific Research Institute of Railway Transport], 1975, no. 2, pp. 5-9
2. Tikhmenev B.N., Basov Yu.V., Nakhodkin V.V. Potentsial'nye usloviya raboty tiristorov v vypryamitel'no-invertornom preobrazovatele elektrovoza VL80R [Potential working conditions thyristor rectifier-inverter converter electric locomotive VL80R], Moscow, collection of scientific papers of the Russian Scientific Research Institute of Railway Transport, 1984, pp. 9-20
© Мельниченко О. В., Власьевский С. В., 2013
п
тока / авторы Власьевский C.B., Бабичук А.К., Мельниченко О. В.
Поступила в печать 14.10.2013.
Внутренний рецензент Костин Н. А.
3. Vlasyevsky S.V., Babichuk A.K., Melnichenko O.V., e.a. Sposob upravleniya mnogozonnym vypryamitelem odnofaznogo peremennogo toka [The control method of multi-zone single-phase rectifier AC]. Patent, no. 2322749, 2006.
Внешний рецензент Андриенко П. Д.
Статья рассматривает аварийные процессы тиристорного преобразователя (выпрямителя) электровоза переменного тока в режиме тяги на первой зоне регулирования выпрямленного напряжения, возникающие в результате пропуска импульсов управления на плечи выпрямителя по причине выхода из строя электронных элементов выходных усилителей системы формирования импульсов СФИ. Предложены технические решения по устранению негативного влияния аварийных процессов тиристорного преобразователя на работоспособность электровоза. Проведено математическое моделирование аварийных процессов работы выпрямителя при штатном (типовом) и предлагаемом алгоритмах управления преобразователем. Показаны диаграммы аварийных процессов выпрямителя при типовом и предлагаемом алгоритмах управления на математической модели и в опытных испытаниях электровоза ВЛ80Р на участке Татаурово-Боярский Восточно-Сибирской железной дороги. Приведены количественные и качественные результаты моделирования и эксперимента.
Ключевые слова: электровоз переменного тока, тяговый двигатель, тиристорный преобразователь, выпрямитель, тиристорные плечи, алгоритм управления, импульсы управления, аварийные процессы, зона регулирования, выпрямленный ток, коэффициент относительной пульсации, коэффициент мощности.
УДК 629.423
О. В. МЕЛЬНИЧЕНКО (ИРГУПС), С. В. ВЛАСЬеВСЬКИЙ (ДВГУПС)
1ркутський державний ушверситет шляхю сполучення, 664074, м. 1ркутськ, Рост, вул. Чернишевського 15, тел.: +7(902)170-24-37, ел. пошта: oleqmelnval@mail.ru
Далекосхщний державний ушверситет шляхт сполучення, 680021, м. Хабаровськ, Рост, вул. Серишева 47, тел.: +79145475447, ел. пошта: vlas@festu.khv.ru
АВАР1ЙН1 ПРОЦЕСИ НА ПЕРШ1Й ЗОН1 РЕГУЛЮВАННЯ НАПРУГИ ПЕРЕТВОРЮВАЧА ЕЛЕКТРОВОЗА 3MIHHOTO СТРУМУ ТА ЗАБЕЗПЕЧЕННЯ ЙОТО ПРАЦЕЗДАТНОСТ1
Стаття розглядае авармы процеси тиристорного перетворювача (випрямляча) електровозу змЫного струму в режим1 тяги на першш зош регулювання випрямленоТ напруги, що виникають в результат пропуску ¡мпульав управлЫня на плеч1 випрямляча з причини виходу з ладу електронних елементш вихщних пщсилювачю систе-ми формування ¡мпульав СФ1. Запропоновано технны ршення з усунення негативного впливу аваршних процесс тиристорного перетворювача на працездатысть електровозу. Проведено математичне моделювання ава-рмних процеав робота випрямляча при штатному (типовому) i запропонованому алгоритмах управлЫня перет-ворювачем. Показан! д1аграми аваршних процеав випрямляча при типовому i запропонованому алгоритмах управлЫня на математичшй модел1 i в дослщних випробуваннях електровоза ВЛ80Р на дтянц1 Татаурова - Бо-ярський Схщно-СибфськоТ зал^ницк Приведен! KmbKiCHi та яюсж результата моделювання i експерименту.
Ключов1 слова: електровоз змшного струму, тяговий двигун, тиристорний перетворювач, випрямляч, тиристоры плеч1, алгоритм управлшня, ¡мпульси управлшня, авар1йн1 процеси, зона регулювання, випрямлений струм, коефщгёнт вщносноТ пульсаци, коефщгёнт потужносп.
Внутршнш рецензент Костт М. О. Зовншшш рецензент Андргенко П. Д.
UDC 629.423
О. V. MELNICHENKO (IRGUPS), S. V. VLASEVSKY (DVGUPS)
Irkutsk State University of Railway Transport, 664074, Irkutsk, Russia, 15 Chernyshevskogo Street, tel.: +7(902) 170-24-37, e-mail: oleamelnval@mail.ru
Far Eastern State University of Railways, 680021, Khabarovsk, Russia, 47 Serysheva Street, tel.: +7(914) 547-54-47, e-mail: vlas@festu.khv.ru
EMERGENCY FIRST PROCESS CONTROL AREA VOLTAGE CONVERTER AC LOCOMOTIVES AND SUPPORT THE OPERATION
The article examines the processes of emergency thyristor converter (rectifier) AC electric traction mode on the first control zone rectified voltage strength resulting from crossing the control pulses on the shoulders of the rectifier because of failure of the electronic components output amplifiers pulse shaping system PSS. Proposed technical solutions to eliminate the negative impact of the NIJ - disturbance thyristor converter to work tiveness electric . The mathematical modeling of emergency processes of the rectifier with a nominal ( typical ) and the proposed algorithms management converter. Chart shows the disturbance in a typical rectifier and the proposed control algorithms on a mathematical model and experimental tests on a plot of electric VL80R Tatau-rovo - East Siberian Boyarsky of railways. The quantitative and qualitative results of simulation and experiment.
Keywords: AC electric locomotive, traction motor, thyristor converter, rectifier, thyristor shoulders, control algorithm, control impulses, emergency processes, rectified current, coefficient of relative pulsation, power factor.
Internal reviewer Kostin M. O. External reviewer Andrienko P. D.
© Мельниченко О. В., Власьевский С. В., 2013
