CC BY
178
СОВРЕМЕННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ - ТРАНСПОРТУ
УДК 621.337.5
А. В. Александров
СПОСОБ ПРИМЕНЕНИЯ ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ТОРМОЗА ЭЛЕКТРОПОЕЗДОВ С АСИНХРОННЫМ ТЯГОВЫМ ПРИВОДОМ В КАЧЕСТВЕ АВТОМАТИЧЕСКОГО ТОРМОЗА
Дата поступления: 29.01.2016 Решение о публикации: 29.01.2016
Цель: Определить причины, препятствующие применению электрического тормоза моторвагонного подвижного состава (МВПС) с асинхронными тяговыми двигателями в качестве автоматического тормоза (тормоза безопасности). Найти способы устранения найденных причин. Определить с помощью математического моделирования временные показатели готовности тягового привода к электрическому торможению в отсутствие напряжения в контактной сети. Методы: Математическая модель тягового привода построена в среде Matlab Simulink. С помощью данной модели получены опытные зависимости времени с момента подачи команды системой управления на экстренное торможение до заряда входных конденсаторов до номинального напряжения (в отсутствие напряжения в контактной сети) от скорости движения поезда и эквивалентного сопротивления в статорной цепи. Результаты: Рассмотрены проблемы, препятствующие применению электрического тормоза МВПС в качестве автоматического тормоза. Предложены пути решения данных проблем. С помощью математического моделирования показана принципиальная возможность предложенных методов, а также оценено время приведения тягового привода в готовность к торможению в зависимости от скорости движения поезда и эквивалентного сопротивления статорной цепи. Найдены инженерные решения, позволяющие применять электрический тормоз моторвагонного подвижного состава в качестве автоматического. Практическая значимость: Электрический тормоз моторвагонного подвижного состава с асинхронным тяговым приводом имеет ряд преимуществ по сравнению с пневматическим тормозом. Он обеспечивает меньшую длину тормозного пути, не подвержен влиянию низких температур и обеспечивает лучшую устойчивость к проскальзыванию и юзу. Применение электрического тормоза моторвагонного подвижного состава в качестве автоматического тормоза положительно повлияет на безопасность движения и позволит увеличить техническую скорость моторвагонного подвижного состава.
Автотормоз, экстренное торможение, асинхронный тяговый привод, моторвагонный подвижной состав, электрический тормоз.
5
Artem V. Aleksandrov, post-graduate student, art641@yandex.ru (Petersburg State Transport University) METHOD OF IMPLEMENTATION OF ELECTRICAL BRAKE OF ELECTRIC TRAINS WITH ASYNCHRONOUS TRACTION DRIVE IN THE FUNCTION OF AUTOMATIC BRAKE
Objective: To define the reasons, that prevent the implementation of electrical brake for multiple unit rolling stock (MVPS) with asynchronous traction drive as an automatic brake (emergency brakes). To find the method for eliminating of found reasons. To determine, using mathematical simulation, the time indexes of traction drive readiness to the electrical braking in case of no voltage in catenary system. Methods: Mathematical model of traction drive is built in Matlab Simulink software. By using this model the empirical relations of the time from the moment of command input, made by the control system, to start an emergency braking, to the moment of charging of input capacitors to nominal voltage (in case of no voltage in catenary system) from the train speed and equivalent resistance of stator circuit were obtained. Results: The problems, preventing the implementation of electrical brake for MVPS as an automatic brakes, are examined. The methods of solving these problems are suggested. By using the mathematical model the principal possibility of suggested methods is presented, as well as the estimation of the time of traction drive preparing for readiness for braking, depending on the train speed and equivalent resistance of stator circuit. Also, the engineering solutions, are found, that allow to implement the electrical brake for multiple unit rolling stock as an automatic one. Practical importance: Electrical for brake multiple unit rolling stock with asynchronous traction drive has several benefits in comparison with the pneumatic brake. It provides smaller braking distance, not influenced by low temperatures and provides better resistance for sliding and skidding. Implementation of electrical brakes for multiple unit rolling stock in the function of automatic brake will positively influence on the safety of operation and will allow to increase the operating speed of multiple unit rolling stock.
Automatic brake, emergency braking, asynchronous traction drive, multiple unit rolling stock, electrical brake.
В настоящее время на отечественном моторвагонном подвижном составе используются три вида тормоза: электрический (торможение тяговыми электродвигателями), электропневматический и пневматический. В соответствии с ГОСТ Р 55434-2013 «Электропоезда. Общие технические требования», замеры показателя «тормозной путь» производятся только с применением автоматических тормозов. На всех отечественных электропоездах в качестве автоматического тормоза применяется исключительно пневматический фрикционный тормоз. Время нарастания тормозной силы данного вида тормоза от момента подачи сигнала экстренного торможения до максимального значения составляет 5-7 с. Фрикционная пара (колесо - колодка) при применении фосфористых чугунных тормозных колодок имеет недостаток, заключающийся в снижении тормозной эффективности (из-за температурного разогрева) в зоне высоких скоростей (более 90 км/ч), а при применении колодок из композиционных материалов тормоз подвержен негативному влиянию климатических факторов, особенно в зимний период эксплуатации.
Также недостатком пневматического фрикционного тормоза является уязвимость его элементов перед действием низких температур в зимний период. При низких температурах ухудшаются свойства уплотнительных про-
6
кладок, загустевает смазка, это ведет к утечкам воздуха и снижению ресурса тормозных приборов. Если сжатый воздух содержит в себе достаточное количество паров воды, могут возникнуть ледяные пробки, в том числе полностью перекрывающие воздушные каналы и приводящие к выходу из строя части тормозного оборудования [2, с. 349], следовательно, современные тормозные приборы с высоким быстродействием и чувствительностью, имеющие малое сечение воздушных каналов и потому особенно подверженные обмерзаниям, требуют систем осушки сжатого воздуха, что увеличивает стоимость тормозного оборудования и снижает его надежность. Также обмерзанию подвержены сами тормозные колодки и детали тормозной рычажной передачи. Резкое изменение климатических условий при движении поезда может вызвать быстрое обледенение и фактически оставить поезд без тормозов, что крайне опасно при высоких скоростях движения. Помимо этого, тормозная рычажная передача с потележечным торможением (один тормозной цилиндр на две оси) не позволяет в полной мере использовать противоюзное устройство.
В то же время практически весь тяговый подвижной состав, приводимый в движение тяговыми электродвигателями, имеет помимо фрикционного пневматического также электрический тормоз. Следует отметить, что электрический тормоз лишен многих недостатков пневматического: он практически не подвержен влиянию низких температур, позволяет строить высокоэффективную защиту от проскальзывания и юза, интегрированную в систему управления тяговым приводом, и изменять заданный тормозной момент с высоким быстродействием [1, c. 209]. Для локомотивов электрический тормоз может играть лишь вспомогательную роль из-за существенно меньшей тормозной силы, развиваемой одним локомотивом в сравнении с тормозной силой, развиваемой всем составом при пневматическом торможении. Иная ситуация наблюдается у моторвагонного подвижного состава, который имеет гораздо большую энерговооруженность, поэтому при электрическом торможении длина тормозного пути меньше, чем при пневматическом торможении.
Таким образом, с точки зрения эффективности торможения (уменьшения длины тормозного пути) электрический тормоз предпочтительнее пневматического, в том числе в роли автоматического тормоза, предназначенного для максимально быстрой остановки поезда в опасной аварийной ситуации.
Определение причин, препятствующих применению электрического тормоза МВПС с асинхронным тяговым приводом в качестве автоматического и предложения по их устранению
Ранее, когда основным видом тягового электропривода был коллекторный, применение электрического тормоза в качестве автоматического осложня-
7
лось низкой надежностью оборудования, обеспечивающего электрическое торможение, а также снижением тормозной силы при скорости ниже 40-50 км/ч.
Современный асинхронный тяговый привод (АТП) лишен этих недостатков, позволяет поддерживать тормозную силу ограниченной лишь условиями сцепления до скорости 2-4 км/ч. Кроме того, для АТП характерна полная обратимость: для его перевода в тормозной режим не нужны ни дополнительные устройства, как того требует коллекторный тяговый привод (возбудители и т. п.), ни коммутации в силовой цепи. АТП, способный реализовывать режим тяги, однозначно пригоден к электрическому торможению, причем переход из режима тяги в режим торможения происходит меньше чем за одну секунду. Если один преобразователь питает один или два тяговых двигателя, то этим достигается высокая надежность всей системы. Например, для электропоезда ЭТ4А10 вагонной составности (индивидуальный тяговый привод) отказ одного тягового преобразователя при торможении приводит к снижению общей тормозной силы на 5 %.
Однако применение электрического тормоза в качестве автоматического возможно только тогда, когда его можно привести в действие в любом режиме движения поезда. Для существующих тяговых приводов моторвагонного подвижного состава (МВПС) это условие не выполняется, поэтому в качестве автоматического тормоза на российских железных дорогах применяется только пневматический тормоз. В данной статье рассмотрим факторы, препятствующие применению электрического тормоза в качестве автоматического, а также предложим меры для их устранения.
Можно выделить три таких фактора:
1) тяговый преобразователь обычно получает питание для системы управления от линии питания цепей управления поездом (обычно 110, 75, 50 В постоянного тока). Так как экстренный тормоз может быть задействован и при отключенных источниках питания цепей управления, необходимо установить в каждом тяговом преобразователе небольшие аккумуляторные батареи 24 или 12 В для питания системы управления тяговым преобразователем или же запитать тяговые преобразователи непосредственно от аккумуляторных батарей. В таком случае при выключенных преобразователях собственных нужд система управления может находиться в так называемом спящем режиме, когда большая часть функций (питание измерительных датчиков, драйверов транзисторов) отключается для уменьшения энергопотребления до незначительных величин;
2) чтобы силовые ключи тягового преобразователя не перегревались, он оснащается системой принудительного воздушного или жидкостного охлаждения. Так как автоматический тормоз может быть приведен в действие и при отключенных преобразователях собственных нужд, систему охлаждения необходимо рассчитать так, чтобы иметь тепловую постоянную, достаточно большую, чтобы за время экстренного торможения с максимальной скоро-
8
сти не происходило недопустимого перегрева силовых полупроводниковых приборов;
3) наконец, основным условием перехода асинхронного двигателя в режим генератора является наличие источника реактивной мощности для создания магнитного потока и возбуждения электрической машины. В штатном режиме таким источником выступает тяговый преобразователь, формирующий на обмотках тягового двигателя переменное напряжение. Возможность протекания опережающего реактивного тока обеспечивает входной конденсатор тягового преобразователя, который при реализации того или иного алгоритма широтно-импульсной модуляции (ШИМ) поочередно подключается ко всем трем фазам двигателя.
Экстренное торможение должно быть, как уже говорилось, доступно во всех режимах движения поезда, в том числе в отсутствие высокого напряжения на входе тягового преобразователя - при обесточенной контактной сети или выключенной дизель-генераторной установке. При этом необходимая для первоначального возбуждения тягового двигателя энергия может быть запасена во входном конденсаторе тягового преобразователя, заряженного до некоторой величины Umin. Переход в режим экстренного торможения при этом будет разделен на две стадии: возбуждение двигателя и заряд входного конденсатора до величины номинального напряжения тягового преобразователя (ТП), затем - включение в работу тормозного импульсного регулятора (ТР) с рассеиванием энергии на тормозных реостатах (рис. 1).
Рис. 1. Упрощенная схема системы тяговый двигатель - тяговый преобразователь
В системе присутствует положительная обратная связь: рост напряжения Ud приводит к росту тока Id, который, в свою очередь, провоцирует дальнейший рост напряжения U.
Построение математической модели асинхронного тягового привода в режиме электрического торможения
Учитывая, что электромагнитные процессы в АТД описываются сложной системой уравнения с перекрестными связями, решение которой анали-
9
тически затруднено, для изучения этих процессов использована построенная в Matlab Simulink математическая модель (рис. 2).
Данная модель описывается следующей системой уравнений. Подмодель тягового двигателя, вращающаяся с синхронной частотой система координат d-q [3, c.47]:
1
1ы _
RM p 1
(u1d - RAa + Ю0эл°№ь - klP42);
4q~ n т (u1q Rhq ©0элаТ1^и ^2ю0эл^2);
RlaTlp
V 2 =-^( LJld-V 2);
T2 p
©1
_ k2R2i1q
_ V
Блок преобразования координат между вращающейся и неподвижной системами:
— (dq) U1
— (ab) _ U1
• e-Mt
- (ab) - (dq) jw t
n _ n • e 1
Подмодель импульсного инвертора:
n _ 0, n _ 8 ua _0 Ub _ 0 0 11
n _ 1 Ua _ 0,66(6) • Ud Ub _ 0 1 d ^a
n_2 Ua _ 0,33(3) • Ud Ub _ 0,578 • Ud Id _0,5 • ia + 0,865 • h
n_3 Ua _ -0,33(3) •Ud Ub _ 0,578 • Ud Id _ 0,5 • ia -0,865 • ib
n_4 U a _ -0,66(6) •Ud Ub _ 0 Q 1 II
n _ 5 Ua _ -0,33(3) •Ud Ub _ _0,578 • Ud Id _“0,5 ■ia - 0,865 •ib
n _ 6 Ua _ 0,33(3) • Ud Ub _ _0,578 • Ud Id _“0,5 ■ia + 0,865 ■ib
Напряжение на входе преобразователя:
Ud _ Ud0 + CI Iddt.
10
11
Параметры тягового двигателя в модели соответствуют параметрам двигателя ДТА-450 разработки ЗАО «ЦНИИ ТЭП» (см. таблицу).
Параметры двигателя ДТА-450
Активное сопротивление статора *1 0,11 Ом
Активное сопротивление ротора (приведенное) 0,10 Ом
Индуктивность рассеяния статора К 3,5 мГн
Индуктивность рассеяния ротора (приведенная) LL 2,4 мГн
Главная индуктивность L m 103 мГн
Передаточное отношение редуктора n 3,41
Число пар полюсов двигателя Р 3
Диаметр колесной пары D 1050 мм
Частота вращения ротора и скольжение приняты постоянными величинами для упрощения модели и задаются пользователем извне. Коэффициент заполнения принят 0,8. Соответствие подмоделей тягового двигателя и инвертора реальности проверяли путем подачи на вход их сигналов, соответствующих номинальному режиму двигателя ДТА-450, и сравнивали ток статора и электромагнитного момента с паспортными данными двигателя.
Многочисленные опыты на модели показали, что процесс заряда входного конденсатора (зависимость напряжения на конденсаторе от времени) носит экспоненциальный характер и не зависит от величины начального напряжения на конденсаторе. Данный вывод весьма важен, так как позволяет ограничить величину начального напряжения 50-100 В.
Математическое моделирование электромагнитных процессов в асинхронном тяговом приводе при заряде входного конденсатора до номинальной величины
Чтобы оценить возможность применять предложенный способ самовозбуждения асинхронного двигателя на практике, важно определить, за какое время после подачи команды от системы управления тяговый привод сможет реализовать тормозной момент на оси. В качестве критерия, который легче всего определяется с помощью модели, взято время заряда входного конденсатора до номинальной величины 3000 В. Так как в построенной модели внешними воздействиями являются как частота вращения ротора, определяемая скоростью поезда, так и скольжение, проведены опыты на модели, в результате которых построены зависимости времени заряда входного
12
конденсатора тягового преобразователя от скольжения при разных скоростях движения поезда (рис. 3).
Данные зависимости показывают, что конденсатор заряжается до 3000 В в широком диапазоне скоростей движения поезда за время, не превышающее 0,5 с, что сравнимо со временем приведения в действие электропневматического автоматического тормоза. Также следует учесть, что тормозной момент фактически может быть развит за меньшее время и приведенная оценка в 0,5 с является оценочной, она показывает верхнюю границу времени готовности привода к экстренному торможению. Существенное увеличение времени заряда при малых скоростях движения поезда, а следовательно, и при малых частотах вращения ротора компенсируется тем, что двигающийся с меньшей скоростью поезд проходит меньшее расстояние, а также тем, что на малых скоростях меньшая эффективность пневматического тормоза несущественна.
Так как все не учтенные в данной модели сопротивления в цепи «тяговый двигатель - входной конденсатор» приводятся к эквивалентному сопротивлению статора двигателя, можно определить, изучив зависимости времени заряда конденсатора от этого сопротивления, насколько существенно тепловые потери между конденсатором и двигателем влияют на характер электромагнитных процессов. Чтобы выяснить критическую величину эквивалентного сопротивления в статорной цепи, проведен ряд опытов на модели, на их основании построены зависимости времени заряда входного конденсатора от сопротивления в статорной цепи при разных скоростях движения поезда (рис. 4).
Из рис. 4 следует, что сопротивление статора начинает оказывать существенное влияние на характер электромагнитных процессов в системе тяговый двигатель - тяговый преобразователь с величин порядка (2-3)Rr
Оценим сопротивление в цепи силовой конденсатор - тяговый двигатель. Оно будет складываться из сопротивления собственно статорной обмотки R1, сопротивления подводящих кабелей RW и собственного последовательного сопротивления силовых конденсаторов RC. Сопротивлением медных шин внутри тягового преобразователя можно пренебречь ввиду их крайней малости. Потери энергии в силовых IGBT-транзисторах преобразователя определяются падением напряжения коллектор - эмиттер, что позволяет не учитывать их эквивалентное сопротивление и вместо этого уменьшать величину напряжения на конденсаторе на сумму падений напряжений на двух транзисторах.
Согласно данным производителя, собственное последовательное сопротивление силовых конденсаторов AVX-TPC DKTFM692A составляет 0,35 мОм. Сопротивление медных проводов длиной 20 м и сечением 50 мм 2 составит 7 мОм. Таким образом, суммарное сопротивление в цепи обмотки статора представляет собой величину на порядок меньше, чем собственно со-
13
14
Рис. 3. Зависимость времени заряда входного конденсатора от скольжения при разных скоростях движения поезда
15
Рис. 4. Зависимость времени заряда входного конденсатора от сопротивления в статорной цепи
при разных скоростях движения поезда
противление обмотки статора, и не оказывает существенного влияния на характер электромагнитных процессов в системе тяговый двигатель - тяговый преобразователь. Хотя данная оценка проведена для конкретного двигателя ДТА-450, ее результат будет справедлив и для других двигателей сравнимой или большей мощности, так как сопротивление их статорной цепи не может существенно отличаться в большую сторону.
Описание схемы петли безопасности как условия, необходимого для придания электрическому тормозу свойства автоматичности
Как говорилось выше, автоматическим тормозом является тормоз, срабатывающий при разрыве поезда вне зависимости от действий машиниста. Чтобы придать электрическому тормозу свойство автоматичности, необходимо ввести в электрическую схему поезда так называемую петлю безопасности - цепь, питающуюся от источника напряжения в головном или хвостовом вагоне и проходящую через весь состав. Во втором головном вагоне от данной цепи получает питание обратный провод петли безопасности, наличие напряжения на котором контролируются тяговыми преобразователями. При разрыве поезда напряжение с обратного провода снимается и тяговые преобразователи реализуют экстренное торможение. Также к обратному проводу петли безопасности можно подключить клапаны экстренного торможения на вагонах, которые при снятии напряжения разряжают тормозную магистраль, дополняя электрическое торможение пневматическим на прицепных вагонах и обеспечивая быстрое замещение электрического торможения пнев-магическим при его отказе на моторных вагонах (рис. 5).
Рис. 5. Упрощенная схема петли безопасности:
БП ПБ - блок питания петли безопасности; ТП - тяговый преобразователь
Выводы
На основании полученных с помощью математического моделирования данных можно сделать вывод о принципиальной пригодности предложенно-
16
го метода возбуждения асинхронного тягового двигателя и заряда входного конденсатора тягового преобразователя. Время, через которое привод сможет реализовать требуемый тормозной момент, не превысит в таком случае 1 с после подачи команды от системы управления, что является сравнимой величиной со временем как нарастания тормозной силы при пневматическом торможении, так и перехода тягового привода из тягового режима в режим электрического торможения.
Таким образом, для практического использования электрического тормоза в качестве автоматического необходимо решить следующие задачи:
• найти метод заряда силового конденсатора тягового преобразователя до величины 50-70 В с обеспечением гальванической развязки данной схемы с низковольтными цепями и приемлемыми экономическими и массогабаритными показателями;
• разработать алгоритм управления тяговым преобразователем, сочетающийся с принципом векторного управления с ориентацией системы координат по потокосцеплению ротора;
• разработать схему петли безопасности, надежно защищенную от внешних несанкционированных воздействий.
Библиографический список
1. Динамические процессы в асинхронном тяговом приводе магистральных электровозов / под ред. А. А. Зарифьяна. - М. : Маршрут, 2006. - 374 с.
2. Крылов В. И. Автоматические тормоза подвижного состава / В. И. Крылов, В. В. Крылов. - М. : Транспорт, 1983. - 360 с.
3. Соколовский Г. Г. Электроприводы переменного тока с частотным регулированием / Г. Г. Соколовский. - М. : Academia, 2006. - 262 c.
References
1. Dinamicheskiye protsessy v asinkhronnom tyagovom privode magistral'nykh elektrovozov [Dynamic processes in asynchronous traction drive of main locomotives], ed. A.A. Zarif’yan. Moscow, Marshrut, 2006. 374 p.
2. Krylov V. I. & Krylov V. V. Avtomaticheskiye tormoza podvizhnogo sostava [Automatic brakes of rolling stock]. Moscow, Transport, 1983. 360 p.
3. Sokolovsky G. G. Elektroprivody peremennogo toka s chastotnym regulirovaniyem [AC drives with frequency regulation]. Moscow, Academia, 2006. 262 p.
АЛЕКСАНДРОВ Артем Валерьевич - аспирант, art641@yandex.ru (Петербургский государственный университет путей сообщения Императора Александра I)
© А. В. Александров, 2016
17
