CC BY
139
промышленный электровоз, импульсный преобразователь, тяговый электродвигатель, независимое возбуждение.
Введение
Электровоз EL3 предназначен для поездной работы на горных предприятиях с открытым способом добычи полезных ископаемых.
Электровоз EL3 оборудован четырьмя тяговыми электродвигателями (часовая мощность каждого 142 кВт) и реализует тяговый и тормозной режимы посредством контроллера машиниста прямого действия, что снижает ресурс наработки на отказ электрического и механического оборудования и ограничивает реализацию силы тяги при заданных скоростях движения и уклонах.
Для улучшения технико-экономических характеристик электровоза EL3 разработана система с импульсным регулированием напряжения и независимым возбуждением тяговых двигателей.
1 Силовая электрическая схема электровоза
Из трёх вариантов схемы, приведённых на рисунке 1, выбран вариант 2, обеспечивающий все режимы работы при наименьшем количестве полупроводниковых приборов.
ТАБЛИЦА 1. Анализ вариантов силовых схем
Полупроводниковые приборы Вариант 1 Вариант 2 Вариант 3
Диоды 8 4 8
Тиристоры 10 6 6
Транзисторные модули 6 10 10
На рисунке 2 приведена принципиальная силовая электрическая схема электровоза.
Рис. 2. Принципиальная силовая электрическая схема электровоза
Схема содержит:
ЬФ, СФ1, СФ2 - реактор и ёмкость входного фильтра;
УТ1.1, УТ2.1, УТ3.1, УТ4.1 - транзисторные модули для регулирования пускового тока;
УТ1.2, УТ2.2, УТ3.2, УТ4.2 - транзисторные модули для регулирования тормозного тока;
УТ5.1, УТ6.1 - транзисторные модули для регулирования тока возбуждения;
УБ5, УБ6 - тиристоры реверсора обмотки возбуждения тяговых электродвигателей;
УБ1, УБ2, УБ3, УБ4 - тиристоры реостатного торможения;
У01 - ограничивающий диод;
R1 - зарядный резистор;
RTi-RT4 - тормозные резисторы;
М1, М2, М3, М4 - якорные обмотки тяговых электродвигателей;
ОВ1, ОВ2, ОВ3, ОВ4 - обмотки возбуждения тяговых электродвигателей;
DT3, DT5, DT7, DT9 - датчики тока торможения;
DT2, DT4, DT6, DT8 - датчики тока якорей тяговых электродвигателей;
DU1-DU4 - датчики напряжения якорей тяговых электродвигателей;
БВ - быстродействующий выключатель.
Схема реализует режимы тяги и реостатного торможения при независимом возбуждением тяговых двигателей. Ток возбуждения тяговых
электродвигателей регулируется изменением коэффициента заполнения транзисторами VT5.1 и VT6.1 в зависимости от направления движения электровоза.
В режиме тяги напряжение на тяговых электродвигателях регулируется от 0 до 600 В изменением коэффициента заполнения транзисторных модулей VT1.1, VT2.1, VT3.1, VT4.1 от 0 до 1,0 при постоянной частоте управления и под контролем датчиков тока DT2, DT4, DT6, DT8, находящихся в цепи якоря каждого тягового электродвигателя. Уставку пускового тока изменяют дискретно с шагом 50 А.
В режиме реостатного торможения после отпирания тиристоров VS1, VS2, VS3, VS4 тормозная сила регулируется изменением тока возбуждения тяговых электродвигателей транзисторными модулями VT5.1 и VT6.1 в зависимости от направления движения электровоза. Для расширения диапазона применения реостатного торможения используется импульсное регулирование тормозного тока транзисторными модулями V^.2, VТ2.2, УТ3.2, VТ4.2.
2 Алгоритм работы схемы управления электровоза
Блок-схема системы управления приведена на рисунке 3.
Рис. 3. Блок-схема управления:
ИОН - источник опорного напряжения; ИН - источник напряжения; DRS -драйвер; ДТТ - датчик тока торможения; ГИ - генератор импульсов; РИ -распределитель импульсов; О - одновибратор; К - компаратор
Для приведения в исполнение функций контроллера машиниста применен бесконтактный датчик угла поворота (БДП) на базе сельсина, ось
которого жестко связана с валом контроллера. Питание возбуждения БДП осуществляется от стабилизированного источника 15 В, 4 кГц.
Выпрямленное диодами VD5, VD6 (рис. 4) напряжение на выходной обмотке БДП в точке а является задающим и определяет величину тока якорей электродвигателей электровоза в режимах тяги и торможения.
Для определения положения рукоятки контроллера машиниста (режим тяги или тормоза) служит фазочувствительный выпрямитель, собранный по кольцевой схеме на диодах VD1-VD4 (см. рис. 4), напряжения с выходов которого в точках b и с меняют знаки при прохождении рукоятки контроллера через нулевое значение (рис. 5).
Зависимости напряжений Ua, Ub, Uc, Ub1, Uc1 от угла поворота БДП приведены на рисунке 5.
В среднем (нулевом) положении рукоятки контроллера машиниста напряжение в точке а равно нулю, в правом и левом крайних положениях рукоятки оно достигает значения 5 В, линейно увеличиваясь с увеличением угла поворота. Правое положение контроллера машиниста соответствует заданию режима тяги электровоза (вперед или назад), левое - режиму торможения.
Рис. 4. Схема системы
управления
Рис. 5. Зависимости напряжений Ua, Ub Uc, Ub1, Uc1 от угла поворота БДП
Эти напряжения подаются на входы компараторов на элементах D9,VT1 и D10,VT2 с узкой петлей гистерезиса, напряжения с выходов которых определяют соответствующий режим работы электровоза.
Скорость движения электровоза измеряется косвенно с помощью датчиков напряжения, подключенных к якорям каждого из
электродвигателей, с учетом изменения тока возбуждения при его регулировании (под контролем датчика тока возбуждения).
Контроль значений токов якорей осуществляется посредством датчиков тока, включенных в якорные цепи двигателей.
Основными элементами системы управления электровоза являются быстродействующие ШИМ-контроллеры (рис. 6), выходные напряжения которых поступают на драйверы силовых транзисторов соответствующих электродвигателей.
При повороте рукоятки контроллера машиниста в положение «вперёд» соответственно его углу поворота задается определенная скорость движения электровоза. При этом в точке Ь1 компаратора появится напряжение около 15 В, что приведет к заряду конденсатора вывода 8 у ШИМ-контроллера D30 его внутренним источником тока, т. е. произойдет нарастание тока возбуждения двигателей до его номинального значения.
При этом напряжение у выводов 3 усилителей ошибки ШИМ-контроллера якоря тягового электродвигателя будет меньше максимального уровня пилообразного напряжения, равного 3 В, ключи 1, 2 и 8, 9 у микросхемы переключателя D29 будут замкнутыми, т. е. на неинвертирующий вход 2 усилителя ошибки ШИМ-контроллера D30 поступит опорное напряжение 5,1 В с вывода 16, а на его инвертирующий вход 1 через резистор - напряжение с датчика тока возбуждения двигателя (рис. 6). Так организована обратная связь по току возбуждения.
Напряжение через разделительный диод поступит на вывод 8 ШИМ-контроллера, после чего произойдет нарастание тока якоря электродвигателя при номинальном токе возбуждения и увеличение напряжения на якоре до значения, определяемого обратной связью по скорости.
Напряжение с датчиков напряжения соответствующих двигателей поступает через резистор на инвертирующий вход 1 усилителей ошибки ШИМ-контроллеров якорей тяговых электродвигателей, а на их неинвертирующий вход 2 поступает напряжение задания в точке а с БДП. Так осуществляется обратная связь по скорости двигателя до значения скорости электровоза 18,65 км/ч, при которой коэффициент заполнения импульсов управления транзисторами УТ1.1, VT2.1, УТ3.1, УТ4.1
пускового тока достигнет своего предельного значения примерно 98%, а напряжение на якоре будет около 600 В.
При задании контроллером машиниста скорости свыше 18,65 км/ч усилители ошибки ШИМ-контроллеров якорей тяговых электродвигателей войдут в ограничение. Напряжения на выводах 3 усилителей ошибки станут больше максимальных напряжений пил, и тогда разомкнутся ключи 1, 2 и 8, 9 у D29, стабилизирующие ток возбуждения двигателей, и замкнутся ключи 3, 4 и 11, 10, таким образом подключится усилитель ошибки ШИМ-контроллера обмоток возбуждения тяговых электродвигателей на стабилизацию токов якорей, воздействуя на токи возбуждения двигателей. Здесь будет иметь место обратное направление регулирования, т. е. при уменьшении тока возбуждения токи якорей будут увеличиваться. Скорость движения электровоза достигнет заданной контроллером машиниста величины до 40 км/ч с ослабленным током возбуждения тяговых электродвигателей. При перемещении рукоятки контроллера машиниста на уменьшение скорости движения электровоза токи якорей могут уменьшиться до нуля, а ток возбуждения, увеличиваясь, достигнет значения на 10% выше номинального, где и произойдет его ограничение по выводу 9 ШИМ-контроллера обмоток возбуждения тяговых электродвигателей.
Для реализации режима торможения рукоятку контроллера машиниста следует перевести из правого положения в левое. При этом по входам выводов 8 снимаются импульсы управления, выдаваемые ШИМ-контроллерами якорей тяговых электродвигателей, т. к. напряжение в точке b 1 становится близким к нулю, после чего становятся равными нулю токи якорей и возбуждения двигателей.
В точке с1 (рис. 4) появляется единичный разрешающий сигнал, который через драйверы включает тиристоры VS1, VS2, VS3, VS4 цепи торможения и одновременно производит мягкий пуск ШИМ-контроллера цепи возбуждения двигателя. При этом из-за обратной связи ток возбуждения устанавливается таким, чтобы величина тока якоря, определяющая интенсивность торможения, была равна заданной величине (пропорциональна напряжению в точке а).
Если ток возбуждения достигает номинального значения, то срабатывает компаратор на D18,VT3 и в точке d появляется единичный разрешающий сигнал, который вводит в действие ШИМ-контроллеры торможения якорей тяговых электродвигателей. Импульсы управления c их выходов через соответствующие драйверы поступят на транзисторы торможения V^.2, VТ2.2, VТ3.2, VТ4.2. Таким образом можно
регулировать скорость движения электровоза практически до нуля при заданном контроллером машиниста током торможения.
Для изменения направления движения электровоза следует произвести переключение тумблера «вперед-назад», причём только при остановленном электровозе и нулевом положении рукоятки контроллера машиниста, т. к. в этом случае снимаются импульсы управления с тиристоров VS1, VS2, VS3, VS4 и всех транзисторов электропривода.
Контроль отсутствия тока возбуждения в момент переключения его на реверс осуществляется с помощью компаратора на операционном усилителе (ОУ), который выдает на выходе единичное разрешающее напряжение на переключение только при малом токе возбуждения, близком к току удержания тиристоров. Напряжение с выхода ОУ поступает на соответствующий положению тумблера вход RS-триггера, выходные напряжения с которого через драйверы включают соответствующий тиристор реверсора. Реверсор может переключиться только при отсутствии тока возбуждения, т. е. при выключенном транзисторе VT5.1, что исключает появление сквозного короткого замыкания.
Работа схемы управления при пуске электровоза «назад» и торможении происходит, как и при пуске «вперед». Отличие состоит в том, что при этом поступают импульсы управления на тиристор реверсора VS6.
С целью уменьшения величины пульсаций напряжения питания, а также влияния друг на друга каждого из преобразователей в схеме введена синхронизация импульсов управления силовых транзисторов, при которой за период их работы в 1 мс поочередно через каждые 200 мкс синхронизируются вначале ШИМ-контроллеры транзистора цепи обмотки возбуждения VT5.1, затем по очереди ШИМ-контроллеры транзисторов VT1.1, VT1.2 цепи якоря одного из двигателей - второго, третьего и четвертого.
Для этого в схеме предусмотрен генератор импульсов, импульсы с которого с частотой 5 кГц поступают на распределитель импульсов. Каждый из пяти выходов распределителя поступает на соответствующий одновиб-ратор, на выходе которого формируется короткий импульс длительностью примерно 2 мкс и через дифференцирующую цепь поступает в контур пилообразного напряжения ШИМ-контроллеров якорей тяговых электродвигателей.
Кроме датчиков токов якорей и возбуждения, для защиты от возможных токов перегрузки последовательно с транзисторами тормозной цепи включены датчики тока торможения. Выходные сигналы датчиков якоря и торможения соответствующих двигателей, пройдя обработку, приходят на соответствующий ШИМ-контроллер тягового электродвигателя. При токе якоря или возбуждения, на 10% превышающего номинальный, на выводе 9 ШИМ-контроллера соответствующего двигателя или цепи возбуждения появится напряжение и отключит генерируемые ими импульсы управле-
ния. Одновременно от светодиода включится индикация «АВАРИЯ» соответствующего якоря или цепи возбуждения электродвигателя. При появлении этого сигнала следует вывести контроллер машиниста в нулевое положение и нажать кнопку «сброс». Если при повторном пуске индикатор «АВАРИЯ» включится вновь, то необходимо произвести ремонт электропривода.
Заключение
Предложенная система с импульсным регулированием напряжения и независимым возбуждением тяговых двигателей для модернизация промышленного электровоза EL3 позволит значительно увеличить срок службы электровоза благодаря замене морально устаревшего оборудования на полупроводниковые приборы, а также повысить эффективность использования электровоза за счёт улучшения тяговых характеристик.
