Повышение надежности системы ступенчатого автоматического пуска и реостатного торможения на электропоездах эр9т и ЕПЛ9т Текст научной статьи по специальности «Механика и машиностроение»

УДК 621.337.522

Н. Г. ВИСИН, Б. Т. ВЛАСЕНКО, Д. Г. БИЛЫЙ (ДИИТ)

ПОВЫШЕНИЕ НАДЕЖНОСТИ СИСТЕМЫ СТУПЕНЧАТОГО АВТОМАТИЧЕСКОГО ПУСКА И РЕОСТАТНОГО ТОРМОЖЕНИЯ НА ЭЛЕКТРОПОЕЗДАХ ЭР9Т И ЕПЛ9Т

Розглянуто перехщш процеси в силовому Koni тягових двигунiв i 1х вплив на роботу ступеневого автоматичного пуску електропо1здв ЕР9Т i ЕПЛ9Т. Даються рекомендаци щодо тдвищення надiйнoстi роботи моторвагонного рухомого складу.

Ключовi слова: електропопд, моторвагонний рухомий склад, силове коло тягових двигушв, система сту-пеневого автоматичного пуску та реостатного гальмування

Рассмотрены переходные процессы в силовой цепи тяговых двигателей и их влияние на работу ступенчатого автоматического пуска электропоездов ЭР9Т и ЕПЛ9Т. Даются рекомендации по повышению надежности моторвагонного подвижного состава.

Ключевые слова: электропоезд, моторвагонный подвижной состав, система ступенчатого автоматического пуска и реостатного торможения

The article examines transitional processes in the power circuit of tractive motors and their influence on the work of stepped automatic starting of electric trains ER9T and EPL9T. The recommendations for increasing the reliability of operation of multiple-unit rolling stock are proposed.

Keywords: electric train, multiple-unit rolling stock, system of stepped automatic starting and rheostat braking

На железных дорогах Украины длительное время эксплуатируются электропоезда переменного тока ЭР9Т. В последнее время холдинговая компания «Лугансктепловоз» выпускает электропоезда переменного тока ЕПЛ9Т для железных дорог Украины. На этих электропоездах применено ступенчатое автоматическое регулирование напряжения на тяговых двигателях от вторичной обмотки трансформатора с помощью вентильных пробок.

Переход с одной позиции на другую осуществляется силовым контроллером 1КС-006 приводом Л. Н. Решетова под контролем блока регулятора ускорения - БРУ.

Однако в эксплуатации этих электропоездов, как на электропоездах ЭР2Т и ЕПЛ2Т, имеет место нефиксация («проскоки») позиций вала силового контроллера и, как следствие, приводит к срабатыванию защиты тяговых двигателей, буксованию колесных пар моторных вагонов и возникновению продольных динамических ударов в автосцепках электропоезда ЭР9Т.

Для выявления причин и устранения вышеуказанных недостатков произведено в работе исследование переходных процессов.

1. Расчет переходных процессов в БРУ при переходе силового контроллера 1КС006(КСП) на очередные позиции

Для включения тиристора У51 или УБ2 (рис. 1) в зависимости от позиций перехода силового контроллера КСП на следующую, конденсатор С1 всегда заряжен на суммарное напряжение от величины датчика тока тяговых двигателей и блока пониженных уставок. При достижении тока в цепи тяговых двигателей тока уставки блока реле ускорения БРУ, это напряжение равно иС1б=16 В и называется

напряжением переключения. При этом поступает импульс напряжения на общий вход тири-сторного триггера БРУ и включается тиристор, например У51. Создается цепь обратной связи [+24В - С1 - Я1 - У1 - С2...С5 - У51 - ( - )]. С этого момента времени начинается переходной процесс в данной цепи и для исследования представляет особый интерес характера изменения напряжения Цс^) при токе уставки

1ру =350 А . Расчетная схема переходного процесса приведена на рис. 2.

Запишем баланс токов по первому закону Кирхгофа:

© Висин Н. Г., Власенко Б. Т., Билый Д. Г., 2010

Рис. 1. Схема реле ускорения

С 2-5 ) = Ы{)+1яА{);

/С1(*) = С

ёи,

С1 .

ш

/ (1) = С ёиС2-5 .

'С 2-5 ^С 2-5 ,, '

ш

Ы<)=^.

(1.1) (1.2)

(1.3)

(1.4)

Подставляя значения токов в уравнение (1.1), получим

иС1 + С ёиС1 = С ёиС2-5

1 ^ _ 2-5 ,,

л

8

и С 2-5(1) = 24 - иаа);

ши,

С 2-5

ши,

С1

ш

(1.5)

(1.6) (1.7)

Подставляя значение

С

ши,

С2-5

ж

получим

иС1 +С шиС1 = - С

ши,

С1

&

2-5

Или подставляя данные

и

С1

Л8

10-

ши,

С1

= -4 • 10-

ш

иС1 . 5•Ю-6шиС! = 0;

ши,

С1

л8

ши,

С1

ж

+ Р • иа = 0 .

(1.8)

(1.9) (1.10) (111)

где Р =

-=-=0,32^ (1.12)

5• Л8•Ю-6 5• 620-103 •Ю-6 с

иа(1) = 19,2 • е

-0,321

(1.15)

Необходимо определить время разряда С1 с напряжения 19,2 В, до напряжения переключения 16 В, т.е. найти соотношение

16 = 19,2 • е-0,321 при 1 = 0,5 с.

Т.к. величина напряжения переключения силового контроллера не зависит от тока уставки БРУ и всегда равно 16 В, то время разряда конденсатора С1 зависит от величины напряжения источника питания иип и согласно допускам завода-изготовителя он может изменяться в пределах ±10 %. При уменьшении напряжения на 5 % будем иметь следующие соотношения:

0,95 • 19,2е'0'321 =16 при 1 = 0,4 с,

что недопустимо, т.к. может вызвать проскаки-вание позиций КСП.

+2ЬВ*-

У01

нз-

И/77

при Л8 = 620 кОм в существующем БРУ. Решение уравнения (1.11)

1п иаа ) = 1п иаа )-1п иа(0) =

= 1!^^ = -р • 1 (1.13)

иа(0)

иС1(1) = иС1(0)е~Р = иС1 (0)е~°'32{ =19,2. (1.14)

Переходной процесс разряда конденсатора С1 будет происходить по зависимости

- а-

~-C2.CS И5/

Рис. 2. Переходные процессы в БРУ

Поэтому необходимо изменить сопротивление резистора Л8 с 620 кОМ до 800 кОм, тогда

Р =

1

1

5 • Я8 -10-6 5 • 800 -103 -10-6

= 0,25^. с

Переходной процесс разряда конденсатора С1 будет происходить по зависимости

ис(г) = 0,95 • 19,2• в'0'25 =16 при г = 0,5 с.

При уменьшении напряжения источника на 10 %, т.е. Цип =0,9• 24 = 21,6 В, будет иметь место соотношение

_-0,25Г

16

в

0,9 • 19,2

= 0,92 при г = 0,3 с,

Т = Д1 • С10 = 33 •Ю-6 = 0,033 •Ю-3 с,

где С10 = 1 мкФ, Я1 = 33 Ом.

Время разряда произойдет за время > = 5Т = 5 • 0,033 •Ю-3 = 0,16 •Ю-3 =160 мкс,

разр " " "

т.е. больше 100 мкс, и поэтому тиристор У51 будет надежно закрыт и двойное питание катушек РК1 и РК2 электропневматического привода Решетова будет исключено.

Определим время задержки на включение тиристора УБ2 по сравнению с включением тиристора У51 при подаче импульса напряжения на общий вход тиристорного триггера ТТ С1 = = 22 мкФ, Я4 = 100 Ом, и = 27 В. Заряд конденсатора С1 происходит по зависимости:

что нежелательно, т.к. может произойти «проскок» позиций КСП.

Поэтому необходимо установить допуск на изменение напряжения источника питания конденсатора С1 ±5 %.

При иип =24 В, ^р =0,7 с .

При иип =0,95 • 24 В = 22 В, ^ =0,5 с, что вытекает из уравнения

ис(г) = 0,95 • 19,2 • е-0,25г =16.

Из расчета следует, что время разряда конденсатора С1 с напряжения 20 В до напряжения 16 В происходит за г > 0,45 с при Л8=800 кОм, т.е. равно времени полного поворота КСП на очередную позицию.

При таком соотношении времени всегда будет обеспечена надежная фиксация всех позиций КСП под контролем БРУ и, следовательно, надежная работа системы ступенчатого автоматического пуска на электропоездах переменного тока, если ток в силовой цепи тяговых двигателей возрастет больше тока уставки БРУ.

Следует заметить, что к моменту действия обратной связи конденсаторы С2.5 должны быть разряжены.

Определим время разряда конденсатора С10 при подаче импульса напряжения на общий вход, когда У51 был открыт, и УБ2 начнет открываться.

Конденсатор С10 был заряжен до напряжения Цс10(0) = 110 В, а его разряд произойдет по зависимости

г г

ЦсюС) = Цсю(0) • вТ = 110• е^ = 0,

Т - постоянная времени разряда конденсатора С10;

ис1 = и0 • (1-в Т),

где Т = Я4С1 = 100 ■ 22-10-6 = 0,002 с.

(1.16)

(

ис1 =27.

г Л

1-в

0,002

= 27-(1-е"5Ш). (1.17)

Заряд конденсатора иС1 должен произойти до момента включения УБ2 при и^ = 13,5 В .

Тогда иС1 = 27 -(1 - е"500г ) = 13,5 В .

Отсюда г = 0,0014 с = 1400 мкс = 1,4 мс .

Поэтому конденсатор С1 в плате ИП блока БРУ должен зарядиться при включении тиристора У51 за время меньше 1 мс, что допускается.

2. Принятые допущения и расчет переходных процессов в однофазной схеме выпрямления электропоезда переменного тока ЭР9Т

Регулирование напряжения на электропоездах переменного тока осуществляется на вторичной стороне трансформатора, при этом используется несимметричное изменение выпрямленного напряжения по полупериодах с применением вентильного перехода (рис. 3) [2].

Рассмотрение такой схемы ставит очень сложную аналитическую задачу, решение которой связано с большим объемом расчетной работы. Для уменьшения расчетов принимаем ряд допущений, которые в связи с коротким периодом работы схем, рассматриваемых на позициях регулирования, мало влияют на определенные тяговые и энергетические характеристики подвижного состава, но значительно упрощают расчеты переходных процессов.

Рис. 3. Несимметричное изменение выпрямленного напряжения по полупериодам с применением вентильного перехода

Принимаем такие допущения:

1.1. Ток намагничивания трансформатора равен нулю.

1.2. В секциях вторичной обмотки тягового трансформатора индуцируются синусоидальные ЭДС.

1.3. Обратный ток полупроводниковых элементов равен нулю и прямое падение напряжения не зависит от величины выпрямленного тока.

1.4. Прямое падение напряжения для всех выпрямляющих элементов одинаковое.

1.5. Во время протекания электромагнитных переходных процессов скорость подвижного состава является постоянной величиной.

1.6. Сглаживающий реактор имеет достаточную индуктивность для обеспечения непрерывного выпрямленного тока в цепи нагрузок.

1.7. Кривые намагничивания тяговых двигателей и сглаживающего реактора, в рассматриваемых пределах пульсации и изменений мгновенных значений выпрямленного тока, в общем случае могут быть линеаризованы.

Расчетная схема однофазного выпрямления при регулировании скорости путем последовательного соединения вторичной обмотки трансформатора изображена на рис. 4.

Согласно принятым предположениям цепь выпрямленного тока в расчетной схеме можно представить составлением из следующих элементов:

1.8. ПротивоЭДС постоянной величины.

1.9. Эквивалентного сопротивления, составленного из активного сопротивления цепи выпрямленного тока и составляющей, учитывающей зависимость против ЭДС тяговых двигателей от выпрямленного тока.

1.10. Эквивалентного сопротивления, составленного из индуктивного сопротивления тяговых двигателей и сглаживающего реактора.

Рис. 4. Схема однофазного выпрямления при регулировании скорости путем последовательного соединения вторичной обмотки трансформатора

Каждую секцию вторичной обмотки трансформатора при упомянутых допущениях в расчетной схеме можно представить как сложенную из следующего:

- эквивалентного источника синусоидальной ЭДС;

- активного сопротивления данной секции;

- эквивалентного индуктивного сопротивления, обусловленного собственными взаимными потоками рассеяния обмоток трансформатора.

Согласно работе [3], уравнение выпрямленного тока равно

и Е

¡аа =— -Ф) - —+

г к

и Е'

21 а--т 81и(шг -Ф)+ —

г к

• в

к^юг-а) X

(2.1)

В режиме коммутации К1 выпрямленный ток равен

к, =

21а

Е к

-|Чю'-*) Е

х а -_

ка

В режиме выпрямления, В1

и Е' /' =—т 81и(юг -ф)---+

а ^ к

и Е'

21а - т 81и(а-ф) + — г к

Я^юг-а)

X

(2.2)

где ит - амплитуда синусоидального напряжения, В;

Z - полное сопротивление цепи, Ом;

■=4я2

X 2

Я = Яг, + сУК;

(2.3)

(2.4)

Яа = Ятр + Ятд + Яср + Ятор - суммарное активное сопротивление цепи;

Ятр - активное сопротивление регулируемой секции вторичной обмотки трансформатора;

Ятд = 0,27 Ом - активное сопротивление тягового двигателя;

Яср = 0,0347 Ом - активное сопротивление

сглаживающего реактора;

Ятор = 0,0038 Ом - активное сопротивление

токоограничивающего реактора; У - скорость движения, км/ч; X - суммарное индуктивное сопротивление цепи;

Х = Хтор + Хтд - Хср + (Хтр + хкс ) , (2.5)

ср

тр кс

Xкс - индуктивное сопротивление контактной сети;

Остальные обозначения при X аналогичны обозначениям при Я.

Е' = сФоУ + 2п • Аи,

о

(2.6)

Е' - постоянная составляющая противо-ЭДС тягового двигателя;

п - число последовательно включенных вентилей в плече;

Аи - прямое падение напряжения на вентиле;

а - угол до начала переходного режима;

12 = 1д - ток цепи в момент включения очередной секции трансформатора [1].

Основная задача при анализе переходных процессов в данной схеме является определения средних значений тока в цепи выпрямленного тока за время совместного действия напряжения конденсатора Пс\(1 ) и напряжения от

датчика тока при переходе силового контроллера на очередные позиции. При этом переход может происходить как при симметричной схеме выпрямления напряжения, так и при несимметричной схеме выпрямления напряжения рис. 5. Время это пропорционально п или 1,5 п, т.е. 0,01 или 0,015 с. Переходные процессы нарастания тока рассмотрены на всех 16 позициях и установлено, что за указанное время переходного процесса ток в силовой цепи тяговых двигателей на позициях 5, 6, 7, 9, 11, 13 не достигнет величины уставки блока реле ускорения и поэтому главный контроллер 1КС-006 безостановочно «проскакивает» эти позиции, что приводит к буксованию колесных пар, срабатыванию защитных реле перегрузок, а иногда и к круговым огням на коллекторах тяговых двигателей.

О 360 о 360

Рис. 5. Несимметричная схема выпрямления напряжения

Выводы

В устройстве узла управления БРУ предлагается изменить величину сопротивления Я8 с 620 кОм на 800 кОм, а время свободного вращения силового контроллера 1КС-006 регулировать на 10 с.

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

1. Висин, Н. Г. Повышение надежности работы системы ступенчатого автоматического пуска на электропоездах ЭР2Р, ЭР2Т и ЭПЛ2Т [Текст] / Н. Г. Висин, Б. Т. Власенко, А. А. Соколов // Вюник Дншропетр. нац. ун-ту залiзн. трансп. iм. акад. В. Лазаряна. - 2005. - Вип. 9. -Д.: Вид-во ДНУЗТ, 2005. - С. 41-46.

2. Цукало, П. В. Эксплуатация электропоездов [Текст] : справ. / П. В. Цукало, Б. К. Просвирин. - М.: Транспорт, 1994. - 383 с.

3. Бирзниекс, Л. В. Переходные и установившиеся электромагнитные процессы при ступенчатом регулировании выпрямленного напряжения в режимах пуска электроподвижного состава с полупроводниковыми выпрямителями [Текст] / Л. В. Бирзниекс // В сб. «Полупроводники и их применение в электротехнике». - Рига: Изд-во АН Латвийской ССР, 1962.

Поступила в редколлегию 09.06.2010.

Принята к печати 17.06.2010.