CC BY
34
УДК 629.423.1:621.3
Т. С. Титова, Е. И. Макарова, М. Ю. Изварин, Е. В. Опарина
ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫЕ ПРОЦЕССЫ В ТЯГОВОМ ЭЛЕКТРОПРИВОДЕ ЭЛЕКТРОВОЗА ПЕРЕМЕННОГО ТОКА СЕРИИ ЭП1 ПРИ ВЫХОДЕ ИЗ ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО РЕКУПЕРАТИВНОГО ТОРМОЖЕНИЯ
Дата поступления: 20.11.2017 Решение о публикации: 20.12.17
Аннотация
Цель: Определение максимальной продолжительности переходных процессов выхода из режима электрического рекуперативного торможения; выбор альтернативного алгоритма выхода из режима рекуперативного торможения, обеспечивающего разрыв силовой цепи обмоток возбуждения без токовой нагрузки. Методы: Использовался метод компьютерного имитационного моделирования. Результаты: Найдены интервальные задержки программного формирования команд управления аппаратами силовой цепи - тормозными переключателями, которые необходимы для замены функций электромеханических реле времени в цепях управления. Рекомендован альтернативный алгоритм выхода из режима рекуперативного торможения, который позволит повысить ресурс работы силовых контакторов, избежать коммутационных перенапряжений в цепи обмоток возбуждения тяговых электродвигателей без увеличения длительности процесса выхода из рекуперации. Практическая значимость: Результаты применимы для модернизации микропроцессорных систем управления электровозов серий ЭП1, ЭП1М, 2ЭС5К, ЭП2К при проведении заводских ремонтов 1-го и 2-го объема.
Ключевые слова: Электромагнитные процессы, микропроцессорная система управления, тяговый электропривод, рекуперативное электрическое торможение.
Tamila S. Titova, D. Eng. Sci, professor, head of a chair, prorector for research; Elena I. Makarova, D. Eng. Sci., professor, dean; Mikhail Y. Izvarin, Cand. Eng. Sci., associate professor; *Yekaterina V. Oparina, postgraduate student, sirayaekaterina@mail.ru (Emperor Alexander I Petersburg State Transport University) ELECTROMAGNETIC PROCESSES IN ELECTRIC TRACTION DRIVE OF AN EP1 LINE DIRECT CURRENT ELECTRIC LOCOMOTIVE IN THE PROCESS OF ELECTRIC REGENERATIVE BRAKING RECOVERY
Summary
Objective: To determine maximum duration of transient processes of recovery from electric regenerative braking mode; to select an alternative algorithm of recovery from regenerative braking mode, providing the field power circuit break without current load. Methods: The method of computer simulation modeling was used. Results: The interval delays in software command shaping of power circuit devices control - brake switches, which are necessary for function replacement of electromechanical time delay relay in control circuits, were found. An alternative algorithm of recovery from regenerative braking mode was suggested, making it possible to improve operational life of power contactors, and avoid switching surges in field circuits of traction electric motors without increasing the recovery process time. Practical importance: The results of the study can be applied in modernization of microprocessor-based control systems of electric locomotives EP1, EP1 М, 2ES5 К, EP2 К while conducting the 1st and 2nd level factory repair.
Keywords: Electromagnetic processes, microprocessor-based control system, electric traction drive, regenerative motor braking.
Системы управления отечественных электровозов серий ЭП1, ЭП1М, 2(3)ЭС5К являются однопроцессорными. Управление силовым электрооборудованием осуществляется посредством параллельных каналов ввода-вывода дискретных сигналов и с помощью цепей управления, содержащих элементы «жесткого» схемного электрического блокирования работы оборудования (электромеханические реле, реле времени, блокировочный аппарат).
Совершенствование системы управления силовым электрооборудованием направлено на замену релейно-контактной подсистемы программно-логическим алгоритмом, реализуемым совокупностью бортовых микроконтроллеров [1, 2]. В этой связи функции электромеханических реле времени, служащие для обеспечения бестокового переключения силовых коммутационных аппаратов, изменяющих конфигурацию силовых цепей в режимах тяги и рекуперативного торможения, должны быть заменены программными интервальными задержками [1, 2].
В статье приводятся результаты исследования длительности электромагнитных процессов выхода из рекуперативного торможения электровоза переменного тока с зонно-фазовым регулированием, которые служат основанием для определения необходимых интервальных задержек в алгоритмах управления силовыми электроаппаратами.
Многофункциональная компьютерная модель электровоза переменного тока с зонно-фазовым регулированием
Для определения максимальной длительности переходных процессов в тяговом приводе электровозов переменного тока ЭП1, ЭП1М при выходе из режимов тяги и рекуперативного торможения использована многофункциональная компьютерная модель электровоза переменного тока с зонно-фазовым регулированием, разработанная сотрудниками кафедры «Электрическая тяга» Петербургского государ-
ственного университета путей сообщения Императора Александра I [3-5]. Модель содержит блоки: тяговой подстанции, тяговой сети, тяговых электродвигателей (ТЭД), механической части электропривода, тягового трансформатора, выпрямительно-инверторного преобразователя (ВИП), выпрямительного устройства возбуждения (ВУВ), датчиков токов тяговых электродвигателей (ТЭД), а также систему ав-тематического управления (САУ), содержащую блоки регуляторов тока якоря (РТЯ) и тока возбуждения (РТВ), блоки системы зонно-фазового управления ВИП, синхронизации, формирования углов инвертирования ВИП [3, 4]. Моделирование переходных процессов в ТЭД для режима рекуперативного торможения осуществляется на основе анализа электромагнитных схем замещения тяговых двигателей независимого возбуждения, а также механической части тягового электропривода [6-8].
Исследование электромагнитных процессов в тяговом приводе электровоза переменного тока при выходе из режима электрического рекуперативного торможения
При входе в режим рекуперативного торможения программным блоком управления ВИП устанавливается 4-я зона регулирования с постоянным фазовым углом 90°. Стабилизация тока якорей ТЭД при этом производится работой регулятора тока возбуждения РТВ, повышающего ток возбуждения от 0 до номинальной величины. По мере снижения скорости торможения и достижения током возбуждения номинальной величины 845 А дальнейшая стабилизация тока якорей ТЭД осуществляется регулятором тока рекуперации РТР, посредством которого во взаимодействии с программным блоком переключения зон обеспечивается последовательный перевод зон регулирования ВИП с 4-й на 3-ю, 2-ю и 1-ю. Ток возбуждения при этом остается неизменным [6, 7].
В штатном режиме функционирования релейно-контакторной подсистемы управле-
ния ТЭД электровоза ЭП1 процесс выхода из режима рекуперации начинается с разрыва цепи питания возбуждения посредством размыкания силового контактора К1 под нагрузкой. После этого с интервалом 1-1,5 с, создаваемым электромеханическим реле времени КТ4, формируется команда на отключение питания усилителей-формирователей импульсов управления тиристорами ВИП. Интервальная задержка необходима для затухания магнитного потока ТЭД, во время которой ВИП переходит из режима непрерывного инвертирования к прерывистым токам вследствие снижения ЭДС вращения ТЭД. Уравнение равновесия ЭДС при выходе из рекуперативного торможения имеет вид
Пи2т |sin= СфУ - Xгя1я-XLddf,
4 dt
ПТТ i.I
где — U2m |sinш^ - напряжение n-й секции тяговой обмотки, принимающей участие в работе ВИП; СфУ - ЭДС вращения тягового электродвигателя; X rÁ - падение напряжения на активном сопротивлении в цепи якоря;
X Ld - ЭДС самоиндукции обмотки якоря. dt
Ток якоря в начале процесса выхода из рекуперации на 4-й, 3-й и 2-й зонах регулирования протекает непрерывно, что обеспечивается более высоким по сравнению с ЭДС тягового трансформатора значением ЭДС враще-
did n
dt ¿ 4
цессе непрерывного инвертирования отключение контакторов питания усилителей-формирователей импульсов управления тиристорами ВИП приводит к короткому замыканию через открытые плечи инвертора и тяговую обмотку трансформатора на следующей после отключения контакторов полуволне напряжения. В этой связи необходима интервальная задержка отключения контакторов питания усилителей-формирователей импульсов управления ВИП для спадания ЭДС вращения и перехода к прерывистым токам [6, 7, 9].
при условии u ■— > СФУ - ELВ этом
ния COV (C^V - Y.Ld ^ > u2-^). В про-
Выпрямительно-инверторный преобразователь переходит в режим прерывистых токов за счет естественной коммутации приборов
^ > С Ф¥-4 у * &
случае создаются наиболее благоприятные условия для отключения контакторов питания усилителей-формирователей импульсов управления тиристорами ВИП [8-10].
На рис. 1 приведены процессы затухания тока рекуперации ТЭД при снятии питания с обмоток возбуждения размыканием силового контактора К1 на 4-й и 1-й зонах регулирования ВИП, как это производится в существующей схеме управления. Из рис. 1 следует, что питание с обмоток возбуждения снимается с разрывом токовой цепи и горением дуги. Переход ВИП к прерывистым токам на 4-й зоне регулирования происходит через 0,25 с, на 1-й зоне регулирования - через 0,4 с.
Были рассмотрены альтернативные способы выхода из режима рекуперативного торможения на разных зонах регулирования, обеспечивающие бестоковый разрыв силовой цепи обмоток возбуждения со следующим порядком действий:
1) программное снятие импульсов управления с ВУВ, последующий разрыв цепи питания обмоток возбуждения, снятие питания с усилителей-формирователей импульсов ВУВ, ВИП, перевод тормозного переключателя в тяговое положение;
2) программное форсированное запирание тиристоров ВУВ путем увеличения углов управления до 160°, последующий разрыв цепи питания обмоток возбуждения ТЭД, снятие питания с усилителей-формирователей импульсов ВУВ, ВИП, перевод тормозного переключателя в тяговое положение.
Переходные процессы выхода из рекуперативного торможения при программном снятии импульсов управления с ВУВ представлены на рис. 2.
Сильная пульсация тока в цепи возбуждения при снятии питания с усилителей-формирователей импульсов ВУВ обусловлена открытым плечом ВУВ. Поддержка спадаю-
а
б
Рис. 1. Переходные процессы при существующем алгоритме выхода из рекуперативного торможения на 4-й (а) и 1-й (б) зонах работы ВИП
щего тока возбуждения происходит из-за со-направленности ЭДС трансформатора и ЭДС самоиндукции обмотки возбуждения. Длительность переходного процесса составляет 8-10 периодов (0,18-0,2 с), определяется начальной величиной тока возбуждения, которая при выходе из рекуперативного торможения равна ограничению (700-800 А) и не зависит от зоны регулирования.
Программное запирание ВУВ осуществляется форсированным увеличением угла управления до 160° (ар = 160°). При этом ток возбуждения спадает за 0,04 с (4 полуволны) на всех зонах регулирования, а переходный процесс спадания тока якоря на 4-й зоне проходит за 0,18-0,2 с, на 1-й зоне - за 0,35-0,4 с, т. е. длительность процесса затухания тока рекуперации практически не изменяется по
а
б
Рис. 2. Переходные процессы в режиме выхода из рекуперативного торможения при снятии питания с усилителей-формирователей импульсов управления ВУВ на 4-й (а) и 1-й (б) зонах
работы ВИП
отношению к штатному режиму размыкания цепи возбуждения ТЭД (рис. 1 и 3). С точки зрения тяжести переходных процессов воспроизведенный способ выхода из рекуперативного торможения путем зарегулирования тиристоров ВУВ наиболее благоприятен.
Полученные в ходе исследования максимальные длительности процессов выхода из режима рекуперативного электрического торможения служат основанием для реализации программно-логических алгоритмов управления силовыми электроаппаратами отечествен-
а
б
Рис. 3. Переходные процессы в режиме выхода из рекуперативного торможения на 4-й (а) и 1-й (б) зонах работы ВИП при программном запирании тиристоров ВУВ
ных электровозов серий ЭП1, ЭП1М, ЭП2К, 2(3)ЭС5К.
Наиболее длительные электромагнитные процессы выхода из режима рекуперативного электрического торможения имеют место на 1-й зоне регулирования ВИП вследствие более
существенного влияния ЭДС самоиндукции цепи двигателей и сглаживающего реактора по отношению к противодействующей ЭДС тягового трансформатора.
В результате предложен алгоритм бестокового размыкания цепи возбуждения в режиме
выхода из рекуперативного торможения, который позволит повысить ресурс работы силовых контакторов, избежать коммутационных перенапряжений в цепи обмоток возбуждения тяговых электродвигателей без увеличения длительности процесса выхода из рекуперации.
Библиографический список
1. Опарина Е. В. Управление электромеханическими аппаратами ЭПС при помощи микропроцессорных средств / Е. В. Опарина, Е. В. Опарин // Локомотив. - 2013. - № 11. - С. 41-44.
2. Опарина Е. В. Пути оптимизации подсистемы управления электрическими аппаратами электроподвижного состава / Е. В. Опарина // Электроника и электрооборудование транспорта. - 2013. - № 6. -С. 25-29.
3. Свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ № 2013613095. Модель электропоезда переменного тока ЭД9Э для режима тяги / А. А. Богдан, А. М. Евстафьев, А. Н. Сычугов, А. Я. Якушев, И. П. Викулов ; правообладатель ФГБОУ ВПО ПГУПС. - Заявка № 2013611050 от 08.02.2013 г. ; зарегистр. 25.03.2013 г.
4. Свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ № 2013613094. Модель электропоезда переменного тока ЭД9Э для режима рекуперативного торможения / А. А. Богдан, А. М. Евстафьев, А. Н. Сычугов, А. Я. Якушев, И. П. Ви-кулов ; правообладатель ФГБОУ ВПО ПГУПС. -Заявка № 2013611043 от 08.02.2013 г. ; зарегистр. 25.03.2013 г.
5. Свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ № 2013613096. Модель тягового электродвигателя ТЭД2У электропоездов постоянного тока / А. А. Богдан, А. М. Евстафьев, А. Н. Сычугов, А. Я. Якушев ; правообладатель ФГБОУ ВПО ПГУПС. - Заявка № 2013611055 от 08.02.2013 г. ; зарегистр. 25.03.2013 г.
6. Плакс А. В. Системы управления электрическим подвижным составом / А. В. Плакс. - М. : Маршрут, 2005. - 360 с.
7. Плакс А. В. Параметры коллекторных тяговых двигателей при моделировании переходных процес-
сов в цепях электровозов / А. В. Плакс, М. Ю. Изва-рин // Вестн. ВЭлНИИ. - 2004. - № 1. - С. 112-118.
8. Якушев А. Я. Определение параметров апериодических звеньев, учитывающих влияние вихревых токов тяговых электродвигателей постоянного тока / А. Я. Якушев, А. М. Евстафьев, В. М. Мищенко // Вестн. транспорта Поволжья. - 2014. - № 5. -С. 52-58.
9. Электровоз ЭП1. Руководство по эксплуатации. Т. 1 (в 4 кн.). Кн. 1. ИДМБ.661142.004 РЭ1. Техническое описание. Электрические схемы.- Рос-тов-н./Д. : СКХТБ «БелРусь», 2006. - 149 с.
10. Электровоз магистральный 2ЭС5К (3ЭС5К). Руководство по эксплуатации. Кн. 1. ИДМБ.661142. 009РЭ1 (ЗТС.001.012РЭ1). Описание и работа. Электрические схемы.- Новочеркасск : Изд-во НЭВЗ, 2004. - 253 с.
References
1. Oparina Y. V. & Oparin Y. V. Upravleniye elek-tromekhanicheskymy apparatamy EPS pry pomosh-chy mikroprotsessornykh sredstv [Operation of EPS electromechanical devices by means of microprocessor hardware]. Lokomotiv [Locomotive], 2013, no. 11, pp. 41-44. (In Russian)
2. Oparina Y.V. Puty optimizatsii podsystemy uprav-leniya elektricheskymy apparatamy elektropodvyzhnogo sostava [The means of electrical devices control subsystem optimization of the electric stock]. Elektronika i elektrooborudovaniye transporta [Electronic engineering and electric equipment for transport], 2013, no. 6, pp. 25-29. (In Russian)
3. Svidetelstvo o gosudarstvennoy registratsii programmy dlya EVM no. 2013613095. Model elek-tropoyezda peremennogo toka ED9E dlya rezhyma tyagy [Certificate of the computer software state registration N 2013613095. An ED 9E alternating current electric train model for traction mode]. A. A. Bogdan, A. M. Ye-stafiyev, A.N. Sychugov, A.Y. Yakushev, I. P. Viku-lov; rightholder FGBOU VPO PGUPS. Application N 2013611050 dated 08.02.2013; reg. 25.03.2013. (In Russian)
4. Svidetelstvo o gosudarstvennoy registratsii programmy dlya EVM no. 2013613094. Model elek-tropoyezda peremennogo toka ED9E dlya rezhyma re-
kuperativnogo tormozheniya [Certificate of the computer software state registration N 2013613094. An ED 9E alternating current electric train model for regenerative brake duty]. A. A. Bogdan, A. M. Yestafiyev, A. N. Sy-chugov, A.Y. Yakushev, I. P. Vikulov; rightholder FG-BOU VPO PGUPS. Application N 2013611043, dated 08.02.2013; reg. 25.03.2013. (In Russian)
5. Svidetelstvo o gosudarstvennoy registratsii pro-grammy dlya EVMno. 2013613096. Model tyagovogo elektrodvigatelya TED2U elektropoyezdov postoyannogo toka [Certificate of the computer software state registration N 2013613096. A TED2U traction motor model of direct current electric trains]. A. A. Bogdan, A. M. Yestafiyev, A.N. Sychugov, A. Y. Yakushev, I. P. Vikulov; rightholder FGBOU VPO PGUPS. Application N 2013611055, dated 08.02.2013; reg. 25.03.2013. (In Russian)
6. Plaks A. V. Systemy upravleniya elektricheskym podvyzhnym sostavom [The electric stock control systems]. Moscow, Marshrut Publ., 2005, 360 p. (In Russian)
7. Plaks A. V. & Izvarin M. Y. Parametry kollek-tornykh tyagovykh dvigateley pry modelirovanii pe-rekhodnykh protsessov v tsepyakh elektrovozov [The parameters of collector tractive motors during transient simulation in circuits of electric locomotives]. Vest-
nik VElNII [VElNIIBulletin], 2004, no. 1, pp.112-118. (In Russian)
8. Yakushev A.Y., Yevstafiyev A. M. & Mishchen-ko V. M. Opredeleniye parametrov aperiodicheskykh zveniyev, uchityvayushchykh vliyaniye vikhrevykh tokov tyagovykh elektrodvygateley postoyannogo toka [Identifying the parameters of aperiodic links, allowing for the influence of vertical currents of direct current traction motors]. Vest. transportaPovolzhya [The Volga region transport bull.], 2014, no. 5, pp. 52-58. (In Russian)
9. Elektrovoz EP1. Rukovodstvo po ekspluatatsii. Tom 1 (in 4 kn.) Kn. 1. IDMB.661142.004RE1. Tekh-nicheskoye opisaniye. Elektricheskiye skhemy [Electric locomotive EP1. Application guide. Vol. 1 (in 4 books). Book 1. IDMB.661142.004 P31. Work specification. Electric connections]. Rostov-on-Don, SKKhTB "Bel-Rus", 2006, 149 p. (In Russian)
10. Elektrovoz magistralniy 2ES5K (3ES5K). Rukovodstvo po ekspluatatsii. Kn. 1. IDMB.661142.009RE1 (ZTS.001.012RE1). Opisaniye i rabota. Elektricheskiye skhemy [Mainline electric 2ES5 K (3ES5 K). Application guide. Book. 1. IDMB.661142.009RE1 (ZTS.001.012RE1). Description and operation. Electric connections]. Novocherkassk, NEVZ Publ., 2004, 253 p. (In Russian)
ТИТОВА Тамила Семеновна - д-р техн. наук, профессор, заведующая кафедрой, проректор по научной работе; МАКАРОВА Елена Игоревна - д-р техн. наук, профессор, декан; ИЗВАРИН Михаил Юльевич - канд. техн. наук, доцент; *ОПАРИНА Екатерина Владимировна - аспирант, sirayaekaterina@mail.ru (Петербургский государственный университет путей сообщения Императора Александра I).
