CC BY
30
УДК 621.337.522
Н. Г. ВИСИН, Б. Т. ВЛАСЕНКО, А. А. СОКОЛОВ (ДИИТ)
ПОВЫШЕНИЕ НАДЕЖНОСТИ РАБОТЫ
СИСТЕМЫ СТУПЕНЧАТОГО АВТОМАТИЧЕСКОГО ПУСКА
НА ЭЛЕКТРОПОЕЗДАХ ЭР2Р, ЭР2Т И ЕПЛ2Т
Розглянуто перехщш процеси в силовому Koni тягових двигушв i 1х вплив на роботу ступеневого автоматичного пуску електропо1здв ЕР2Р, ЕР2Т i ЕПЛ2Т. Даються рекомендаци щодо тдвищення надiйнoстi ро-боти мотор-вагонного рухомого складу.
Рассмотрены переходные процессы в силовой цепи тяговых двигателей и их влияние на работу ступенчатого автоматического пуска электропоездов ЭР2Р, ЭР2Т и ЕПЛ2Т. Даются рекомендации по повышению надежности работы мотор-вагонного подвижного состава.
The article examines transitional processes in the power circuit of tractive motors and their influence on the work of grading automatic starting of EMU trains ER2R, ER2T and EPL2T. Recommendations have been developed for increasing reliability of operations of multiple-unit rolling stock.
Расчет переходных процессов в силовой цепи тягового двигателя и их влияние на автоматический пуск ЭР2Т.
На электропоездах постоянного тока ЭР1, ЭР2, ЭР2Т, ЭР2Р, ЕПЛ2Т применяется ступенчатый автоматический реостатный пуск посредством силового контроллера КСП и под контролем контактного реле ускорения (РУ) или бесконтактного реле ускорения (БРУ) совместно с бесконтактным переключателем вентилей. В работах [1] установлено, что при замыкании контакта РУ (БРУ) при токе уставки I = 1р у в силовой цепи тяговых двигателей получает питание вентиль КСП и при повороте его на 14° за время 0,3... 0,4 с, замыкается силовой контактор. При этом происходит вывод ступени пускового реостата и возрастание тока в силовой цепи тяговых двигателей. За время поворота КСП, из-за значительного ускорения 0,6.0,72 м/с2, происходит приращение скорости АУ, а следовательно, и противо ЭДС в тяговых двигателях, что и приведет к уменьшению тока в их цепи. Величина тока 12 согласно [1] определяется по следующей формуле:
12 =-
py
K3
tnmKl V °K2 у
T-
(1)
где К - коэффициент, характеризующий линеаризацию силы тяги на данном интервале изменения тока
Ki =
Fj - F
УУ 12
jpy - J 2
H
A
(2)
где - сила тяги одного тягового двигателя
р.у
при I = 1р у ; ^12 - сила тяги одного тягового двигателя при I = 12 ; К2 - коэффициент, характеризующий линеаризацию скорости У1 ...У1
K2 =
^ - ^
M
jp.y j2 C 'A
(3)
где У2 = У2 - скорость при токе 12 на данной
- М У
реостатной позиции —; у - скорость при
т й й М
то ке I р у на данно й рео статно й позиции — .
C
а = mnp = 103 Q (1 + у),
(4)
где тпр - приведенная масса электропоезда(кг); у - коэффициент инерции вращающих масс 0,06; ¿поз - время поворота вала КСП на угол, при котором замкнется очередной силовой контактор и выведет часть пускового резистора (0,3... 0,4 с).
Ж
Fh -
K3 =-
Ki
(5)
где пдв - количество двигателей в электропоезде; Ж - общее сопротивление движения поезда при данной скорости (Н)
w = ®oqg-
(6)
где Юо - основное удельное сопротивление движения поезда (кг/Т)
e
ю0 = 1,1 • 0,012 - У1г + 0,000267У12 ; (7)
Q - вес десяти вагонов поезда, равный 575 т.
Как показали расчеты при времени поворота КСП на очередную позицию на электропоездах ЭР2Т гпоз = 0,4 с, ток в силовой цепи тяговых двигателей уменьшается по сравнению с током установки реле ускорения при движении на площадке на 10...8 %. Поэтому можно принять для расчета
12 = 10 = 0,92/р.у, ( 8)
где 10 - ток начала переходного процесса.
При повороте КСП на очередную позицию и замыкании очередного контактора уменьшается сопротивление в цепи тяговых двигателей и ток в их цепи возрастает по зависимости
) = ^у.а (у.а ^2 )е
где
I „„, =
^ - СФНА4У2
у-с (к \ '
-Р + Кдв + КфУ
(9)
(10)
где икс - напряжение в контактной сети 3000 В;
Тдв =
ь„
дв (
^ + Кдв + КфУ2
V
(11)
Кф =
Сф 1р.у - Сф12 В • С
1Р-У 12
М • А
(12)
и подъемной катушек 1сов на электропоездах ЭР1, ЭР2Т превышал ток уставки РУ на 2 %, т. е. равен I = 1,021р у.
На электропоездах ЭР2Р и ЭР2Т для фиксации позиций КСП необходимо, чтобы в БРУ импульс напряжения, поступающий на общий вход тири-сторного триггера поступал позже, чем разрядится конденсатор С1 на время, пока ток в силовой цепи тяговых двигателей не превысит тока уставки БРУ. В противном случае произойдет проска-кивание позиций КСП, что может вызвать буксование колесных пар, а иногда и к круговому огню на коллекторах тяговых двигателей.
Произведем расчет переходных процессов в силовой цепи тяговых двигателей на электропоезде ЭР2Т при ступенчатом реостатном автоматическом пуске.
Рассмотрим переходные процессы в цепи тяговых двигателей при самых ненадежных переходах КСП с 12-й на 13-ю позицию.
Рассмотрим расчет переходных процессов в силовой цепи тяговых двигателей при переходе КСП с 12-й на 13-ю позицию.
Для тока РУ равного 1р у = 350 А, зададимся
начальным уменьшением тока 12 (А) 12 = 0,921р у = 0,92 • 350 = 322 .
Определим коэффициент, характеризующий лианеризацию силы тяги на данном интервале изменения тока [2]
где Ьдв - индуктивность тягового двигателя в Гн., Кр(п+1) - сопротивление реостата при переходе К СП с позиции «п» на позицию « п +1», Ом; У2 - скорость при токе 12 +10, м/с; Кдв -сопротивление тягового двигателя, Ом; Кф - коэффициент, характеризующий лианеаризацию кривой намагничивания при изменении тока с 1ру до тока 12 2
К 2 =
- У1
р.у ■'г
1ру - 12
27132-24355 _ „И
-= 99,2 —
350 - 322 А
где сила тяги при полученных токах и магнитный поток равны:
К = 3,42Сф т 1ру = 3,42 • 22,7 • 350 = 27132 И,
-'р.у -'р.у
Е1 = 3,42Сфт -12 = 3,42 • 22,1 • 322 = 24355 И,
Сфт =
и^-ТруКдв 3000-350• 0,2 4 ру дв ^ 4
ру ут
30
= 22 7 В-ч/км,
Величина магнитного потока, в результате его лианеризации и при токе I = 0 определяется по формуле
Сфнач = Сф I - Кф1р.у.
(13)
Для устранения проскакивания позиций силовым контроллером во время пуска необходимо, чтобы ток в силовой цепи тяговых двигателей за время совместного действия силовой
Сф I, =
и- -12Кдв 3000 - 322 • 0,2
4 2 дв _ 4
31
= 22 1 В-ч/км.
Определим коэффициент, характеризующий линеаризацию от скорости равной УI ...У^ :
У! - УI 82 - 79 М
К2 ^-^ру-^ = 8,2 7,9 = 0,011-
Ip.y -12 350 -322 ' А• с
-г
где
и
кс
( Яг
VI =-
р.у
+ Ядв
4 дв
1РУ
3,6Cфт
3000 (0,45
0,2 1350
ис (Я
VI =■
2
кс
4
А
4
3,6 • 22,7
Л
■ = 7,9 М,
С
3,6 • Сф ^
3000 (0,45
0,2 1322
3,6 • 22,1 Определим коэффициент К3 :
■ = 8,2
М
Рв -
Ж
-7578 -
К3 =-
9751 20
= -61,3 А,
е
,°К2 у
350 + (-81,3)
-(-81,3) = 319,8 А.
( 0,4• 20• 99,2 ^ 6,1105 • 0,011
Расчет углового коэффициента линеаризованной функции производим по формуле
Кф =
Сф, - С ф, 22,7 - 22,1
^.у I2
350 - 322
= 0,02.
Произведем расчет переходного процесса при переходе силового контроллера с 11-й на 12-ю позицию. Определим постоянную времени по формуле:
тдв =
дв (Я
■ + Ядв + КфУ2
20-10"
0,45
+ 0,2 + 0,02 • 31
= 0,022 с.
Произведем расчет установившегося значения тока I.,
усГ
и
кс
( я
- СфBA4УIг
Ядв + KфУI 2
3000
-13,41 • 31
К 99,2
где
Рв = р - К^ = 27132 - 99,2 • 350 = -7578 И, Ж = = 1,673 • 575 9,81 = 9751 И.
Расчет уменьшения тока от I = ^ у до значения тока 12 за время поворота силового контроллера до момента замыкания контакторного элемента.
При переходе силового контроллера с одной позиции на другую, когда замыкается следующий контакторный элемент, выводится ступень АЯ пускового реостата, ток в силовой цепи возрастает не при токе ^^, а при токе ^ до установившегося значения.
Числовое значение /2 находим по формуле
Iр у + К
12 = —-Т - К3 =
2 (ГптКЛ 3
0,45
+ 0,2 + 0,02 • 31
= 362,3 А.
Расчет переходного процесса рассчитываем за время г = 3т по формуле
-г
I(г) = Iусг-((усг -12) .
Расчет произведем для времени равного г = 0,01 с, г = 0,02 с, г = 0,05 с:
0,01
I(0,01) = 362,3-(362,3-322)е 0'022 = 3 45,4А,
< 1,021р.у = 375 А :
0.04
I(0,04) = 362,-(362,3-322)е 0022 = 3 5 5,6А,
I (0,05) = 362,3 - (362,3 - 322)е
0,05
^ = 358 А .
По результатам проведенных расчетов видим, что на электропоездах серии ЭР2Т при ступенчатом автоматическом реостатном пуске наблюдается проскакивание позиций при переходе силового контроллера с 12-й на 13-ю позицию.
Рассмотрим работу бесконтактного реле ускорения (БРУ) и переходные процессы в силовой цепи тяговых двигателей для электропоезда ЭР2Т (рис.).
р.у
3
е
Рис. Схема бесконтактного ряда ускорения и переключения вентилей
При применении БРУ, при значении тока в силовой цепи тяговых двигателей равный току уставки, например, !ру = 350 А поступает
импульс напряжения на общий вход тиристор-ного триггера и выключается тиристор У51 или в зависимости от позиций перехода РССП. При включении, например, У51 создается цепь обратной связи
[+20В - С1 - Я1 - у - С2 ... С5 - УS1 - (-)]
и происходит зарядка конденсатора С с напряжения 16 В до напряжения 20 В.
Определим время зарядки конденсатора С1. Уравнение переходного процесса:
иС1 (х) = иС1 (1)ус1 + иС1 (х)СВоб , (14)
(х) =20 В
V /усх
и
С1 (')сВоб = ^',
где
Р =-
,(х ) = 20 + Ле~ рх
(15)
(16) (17)
,(х ) = 20 - 4е"
-рх
(18)
Найдем время зарядки конденсатора по формуле:
Т = Я1Сэкв :
(19)
11 1 1 1 6,5 1
= — +-= - +-=--(20)
Сэкв С1 С2 ...С5 1 5,5 5,5 1
= 0,846 мкФ,
С
где С1 = 1, С2 ...С5 = 5,5 мкФ, Я = 330 Ом.
Время зарядки конденсатора и оператор «р» будут равны:
Т = 33 • 0,846 -10-6 = 28 -10-6 с,
Р =-
1
=35714.
28-10-
Тогда функция ис (х), формула (16), примет вид:
ис (х) = 20 - 4е'
-35714Х
а это значит что заряд конденсатора происходит практически мгновенно и его учитывать не следует.
При этом произойдет, из-за действия обратной связи (см. рис.), снятие импульса напряжения с общего входа, и тиристор УS2, из-за предусмотренной задержки на его включение, не включится. При заряде конденсатора С2 ... С5 почти мгновенно, и при наличии в его цепи диода у, начнется разряд конденсатора С1, по следующей це-
- Я8 -К )]
пи
+иг
по зависимости:
,(Х ) = 20-<
(21)
при х = 0, ис (х) = 16 В, подставляя в формулу (4) получим 16 = 20 + Л , тогда Л = -4. Тогда функция ис (х), формула, примет вид
где Тразр - постоянная времени разряда конденсатора С1;
Тразр = Я8С1 = 620 -103 • 1 • 10-6 = 0,62 с. (22)
Время разряда конденсатора до напряжения 16 В определяется из соотношения (24):
иС1 (х) = 20е"1,6х = 16 при х = 0,14 с. (23)
При этом, из-за уменьшения тока в силовой цепи тяговых двигателей, напряжение с датчика тока уменьшится и напряжение на Сх будет меньше чем 20 В.
Определим превисит ли ток в цепи тяговых двигателей ток уставки БРУ к моменту, когда конденсатор С1 зарядится до 16 В, с тем, чтобы не поступал импульс напряжения вновь на общий вход тиристорного триггера и не получил питание тиристор У5"2, что привело бы к про-скакиванию позиций КСП.
Как показали вышеприведенные расчеты ток в силовой цепи тяговых двигателей возрастает до тока уставки БРУ от значения 12 за время хпереХ > 0,03 с.
Таким образом, общее время от момента начала разрешения перехода КСП, до момента времени, когда ток в силовой цепи со значения 12 превысит ток установки БРУ 1ус составляет:
х = хпов + хперех = 0,4 + 0,03 = 0,45 с,
где хпов - время, за которое вал КСП повернется на угол 14° и замкнет очередной контактор,
х
1
равное 0,4 с; гперех - время за которое возрастет
ток со значения ^ до значения-1,02^ у .
Так как время разряда конденсатора С1 значительно меньше необходимого, то есть
г
С1раз
= 0,14 < г = 0,45 с, то при г = 0,14 с, поя-
вится импульс напряжения на общий вход ти-ристорного тригера и произойдет проскакива-ние позиций КСП, что может вызвать боксова-ние колесных пар, срабатывание защиты, а в некоторых случаях приведет к круговому огню на коллекторах тяговых двигателей.
Для того, чтобы конденсатор С1 разрядился за время г = 0,45 с необходимо заменить сопротивление Я8 = 620 кОм на сопротивление Я8 = 2000 кОм.
Тогда разряд конденсатора С1 будет происходить по следующей зависимости:
где
С (г) = 20е т' = 20е 25 = 16 В, (24)
Т = Я8 • С1 = 2000 103 • 1 • 10-6 = 2,5 с. (25)
Из расчета следует, что время разряда конденсатора С1 с напряжения 20 В до напряжения 16 В происходит за 0,45 с, то есть равно времени полного поворота КСП на очередную позицию.
При таком соотношении времени всегда будет обеспечена надежная фиксация всех позиций КСП под контроллем БРУ и, следовательно, надежная работа системы ступенчатого автоматического пуска на электропоездах постоянного тока.
Следует заметить, что к моменту действия обратной связи конденсаторы Сг ...Сь или С6 ...С9 должны быть обязательно разряжены.
Определим время разряда конденсатора С2 ...С5. Постоянная времени разряда равна:
Тс2..с, = Я1 • С2. 5 = 750•Ю3 • 5,5•Ю-6 = 0,004 с, ТС6...с9 = Я4 • С6-9 = 750•Ю3 • 5,5 •Ю-6 = 0,004 с.
Разряд конденсатора происходит на предыдущей позиции КСП, через сопротивление Я1 . Время разряда конденсаторов равно:
г = гС С = гС С = 5• 0,004 = 0,02 с.
2 * * 5 6**9
То есть всегда разряжены конденсаторы С2 ..С5 и С6 ...С9 к моменту действия обратной связи. Определим время разряда конденсатора С10 при подаче импульса напряжения на общий вход, когда У51 был открыт, а УБ2 начнет открываться.
Конденсатор С10 был заряжен до напряжения иС = 110 , а его разряд до 0 произойдет по зависимости
г г
иС (г) = иС е~т = 110е_Т = 0,
^10 V ' ^10(0)
где Т - постоянная времени разряда конденсатора С10
Т -Я1С10 = 33• 1 • 10-6 = 0,033•Ю-3 с,
где Сю = 1 мкФ; Я1 = 33 Ом. Время разряда конденсатора
Сп/разр = 5Т = 5 • 0,033 •Ю-3 =
= 0,16 •Ю-3 = 160 мкс,
т. е. больше 100 мкс и поэтому тиристор У81 будет надежно закрыт и двойное питание катушек РК1 и РК2 электропневматического привода Решетова будет исключено.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Висин Н. Г. Некоторые вопросы улучшения системы автоматического управления на электропоездах // Труды ДИИТа. - М.: Транспорт, 1965. - Вып. 54. - С. 72-76.
2. Правила тяговых расчетов для поездной работы. - М.: Транспорт, 1985.
Поступила в редколлегию 01.06.2005.
г
г
