РЕГУЛЯТОР ЭЛЕКТРОДИНАМИЧЕСКОГО ТОРМОЗА ЛОКОМОТИВА
LOCOMOTIVE ELECTRODYNAMIC BRAKE CONTROLLER

Изобретение относится к области железнодорожного транспорта, а именно к технике регулирования торможением тяговых электродвигателей локомотивов, и является частью системы управления их движением. Известна «Система безопасного торможения», содержащая последовательно соединенные задатчик и управляющий процессор, выполненный с возможностью реализации алгоритмов проверки тормозной системы, а также исполнительный механизм, при этом система снабжена акселерометром, а управляющий процессор выполнен с возможностью определения интервала времени между командой торможения, формируемой задатчиком и соответствующим откликом на выходе акселерометра, подключенному ко второму входу управляющего процессора, и сравнения его с заданным значением интервала времени для формирования сигнала неисправности по результатам сравнения и/или изменения режима работы системы торможения (Патент РФ на изобретение №2432272, МПК:В60Т 8/17, опубл. 2011.10.27).
Известен «Тормозной механизм для рельсового транспортного средства», причем по крайней мере один блок управления торможением находится в соединении с тормозными блоками через систему шины данных, которая служит для передачи дейтограмм и которой придано в соответствие отказобезопасное устройство, при этом последнее служит для распознавания ошибок передачи, кроме того, отказобезопасное устройство на стороне выхода находится для этого в соединении с тормозными блоками тормоза служебного торможения и экстренного тормоза, для вызывания срабатывания тормозных блоков, если имеет место ошибка передачи, то, по крайней мере, один блок управления торможением имеет входной интерфейс для сигналов, и что на входном интерфейсе сигналы для торможения соединены логической операцией ИЛИ, а сигналы для аварийного движения соединены логической операцией И (Патент РФ на изобретение №2395413, МКИ:В60Т 8/88, опубл. 2010.07.27).
Известно «Устройство для управления торможением поезда», содержащее измеритель скорости, подключенный к блоку вычисления ускорения, датчик давления тормозного цилиндра, песочницу и блок управления песочницей, при этом оно снабжено блоком задания уставок, датчиком включения пескоподачи, блоком фиксации расчетной скорости, ключевым элементом, а также элементом «И», первым входом подключенным к выходу блока фиксации расчетной скорости, первый, второй и третий входы которого соединены соответственно с выходами измерителя скорости, блока вычисления ускорения и первым выходом блока задания уставок, второй вход элемента «И» подключен к выходу блока фиксации расчетного давления, первый и второй входы которого соединены соответственно с выходом датчика тормозного цилиндра и вторым выходом блока задания уставок, при этом третий вход элемента «И» соединен с выходом датчика включения пескоподачи, а выход элемента «И» подключен к управляющему входу ключевого элемента, вход которого подключен к выходу блока управления песочницей, а выход соединен с входом песочницы (Патент РФ на изобретение №2311307, МКИ:В60Т 8/62,  опубл. 2007.11.27).
T
Известен аналог, в котором для электродинамического торможения локомотива с тяговыми двигателями постоянного тока их переводят в генераторный режим и нагружают на тормозной резистор, преобразуя тем самым механическую энергию движения в электрическую, которая, в свою очередь, преобразуется в тормозном резисторе в тепловую. При достаточно больших скоростях движения управление тормозным усилием осуществляется путем изменения тока возбуждения: при уменьшении скорости ток возбуждения увеличивают. Но при достаточно малых скоростях ток возбуждения достигает максимально допустимой величины и при дальнейшем снижении скорости происходит снижение ЭДС якоря и, соответственно, тормозного усилия, которое пропорционально току якоря, при этом эффективность торможения снижается. Такой способ торможения применяется на большинстве электровозов и тепловозов с электропередачей постоянного тока, например на тепловозе ТЭМ18ДМ (Тепловоз ТЭМ18ДМ. Руководство по эксплуатации. Стр. 132-133). Упрощенная принципиальная схема такого тормоза и график зависимости тормозного усилия от скорости показаны на Фиг.3, где 1 - якорь с обмоткой тягового двигателя, 2 - обмотка возбуждения двигателя и 3 - тормозной резистор R.
я
я
т
я
я
т
Ток нагрузки якоря соответствует зависимости I=E/R, где I - среднее значение тока якоря; Е- ЭДС якоря; R - сопротивление тормозного резистора.
Таким образом, здесь снижение скорости приводит к снижению ЭДС якоря, следовательно, снижается ток якоря и тормозное усилие, а эффективность торможения падает.
т
Наиболее близким аналогом к предлагаемому в качестве изобретения является аналог, в котором для увеличения тормозного усилия на малых скоростях, когда ток возбуждения уже максимален, необходимо снижать сопротивление тормозного резистора с целью увеличения тока якоря, несмотря на снижение ЭДС. Известен вариант поддержки тормозного усилия до меньших скоростей путем шунтирования части тормозного резистора. Такое решение применено, например, на тепловозе ЧМЭ3Т (упрощенная принципиальная схема такого тормоза и график зависимости тормозного усилия от скорости показаны на Фиг.4, где 1 - якорь с обмоткой тягового двигателя, 2 - обмотка возбуждения двигателя, 3 - тормозной резистор R с отводом и 4 - контактор шунтирования части резистора (Нотик З.Х. Тепловозы ЧМЭ3 и ЧМЭ3Т. М., «Транспорт», 1990, стр. 251-252)), электричке ЭД9М (Локомотив №3-2012, стр.26). Однако и этот аналог обеспечивает ступенчатое регулирование, при котором происходят резкие изменения тормозного усилия, имеет сложную схему регулирования и требует прокладки нескольких высоковольтных кабелей, что ведет к дополнительному расходу. Кроме того, использование данного устройства, в котором шунтирована только часть резистора, сначала обеспечивает резкое возрастание тормозного усилия, а затем вновь начинается его резкий спад, связанный со снижением скорости тепловоза.
К техническому результату относится повышение эффективности торможения путем обеспечения поддержания постоянного тормозного усилия вплоть до остановки локомотива за счет введения в схему регулятора электродинамического тормоза локомотива транзисторного ключа, демпфирующей цепи из диода, конденсатора и резистора для защиты транзисторного ключа от перенапряжений, а в систему управления движением локомотива - устройства управления шириной импульса.
Вышеуказанный технический результат достигается за счет того, что «Регулятор электродинамического тормоза локомотива» связан с системой управления движением локомотива и содержит якорь с обмоткой тягового двигателя, обмотку возбуждения тягового двигателя, подключенную к тяговому генератору. При этом обмотка якоря тягового двигателя последовательно и при помощи контактора подключена к тормозному резистору. Причем к тормозному резистору и обмотке якоря тягового двигателя параллельно подключен транзисторный ключ, служащий для поддержания постоянного тормозного усилия. В свою очередь, транзисторный ключ соединен с системой управления движением локомотива, которое обеспечено устройством управления шириной импульса в соответствии с требуемым током на обмотке якоря, задающим длительность включения транзисторного ключа. Последний снабжен демпфирующей цепью, содержащей последовательно подключенные между собой диод и дополнительный резистор. Дополнительный резистор, в свою очередь, снабжен параллельно подключенным к нему конденсатором. При этом демпфирующая цепь защищает транзисторный ключ от перенапряжений при его запирании, поддерживая постоянный ток якоря и тормозное усилие практически до остановки.
«Регулятор электродинамического тормоза» локомотива поясняется фиг.1-4, где обозначено:
Фиг.1 - Регулятор электродинамического тормоза локомотива - чертеж-схема общего вида и график зависимости тормозного усилия от скорости (в сравнении с известными вариантами);
Фиг.2 - Регулятор электродинамического тормоза локомотива - график зависимости сопротивления нагрузки якоря от коэффициента заполнения импульса транзисторного ключа;
Фиг.3 - чертеж-схема общего вида регулятора электродинамического тормоза и график зависимости тормозного усилия от скорости, описанного в аналоге (Тепловоз ТЭМ18ДМ. «Руководство по эксплуатации», стр.132-133);
Фиг.4 - чертеж-схема общего вида регулятора электродинамического тормоза и график зависимости тормозного усилия от скорости, описанного в наиболее близком аналоге (Нотик З.Х. «Тепловозы ЧМЭ3 и ЧМЭ3Т», М., «Транспорт», 1990, стр. 251-252).
Т
Регулятор электродинамического тормоза локомотива согласно фиг.1 содержит систему управления 1 движением локомотива, якорь с обмоткой тягового двигателя 2, обмотку возбуждения тягового двигателя 3, подключенную к тяговому генератору. При этом обмотка якоря тягового двигателя последовательно и при помощи контактора 4 подключена к тормозному резистору 5 (с сопротивлением R). К тормозному резистору 5 и якорю с обмоткой 2 тягового двигателя параллельно подключен транзисторный ключ 6, служащий для поддержания постоянного тормозного усилия. В свою очередь, транзисторный ключ 6 соединен с системой управления 1 движением локомотива, которое обеспечено устройством управления шириной импульса 7 в соответствии с требуемым током на обмотке якоря, задающим длительность включения транзисторного ключа 6. Последний снабжен демпфирующей цепью, содержащей последовательно подключенные между собой диод 8 и дополнительный резистор 9. Дополнительный резистор 9, в свою очередь, снабжен параллельно подключенным к нему конденсатором 10. При этом демпфирующая цепь защищает транзисторный ключ 6 от перенапряжений при его запирании.
Регулятор электродинамического тормоза локомотива работает следующим образом. В предлагаемом регуляторе снижение эффективного значения сопротивления тормозного резистора 5 достигается путем введения в его схему транзисторного ключа 6 с достаточно высокой частотой так, чтобы ток якоря мало изменялся за время включенного состояния транзистора. При замкнутом ключе сопротивление постоянному току практически отсутствует и скорость изменения тока якоря 2 зависит от соотношения ЭДС якоря к его индуктивности:
я1
я
Я,
я
dI/dt=E/Lгде I - среднее значение тока якоря; t - время;
я1
dI/dt - отношение производной тока якоря к производной времени, дающее скорость изменения тока якоря по времени;
я
я
Е- ЭДС якоря; L - индуктивность якоря.
Когда транзисторный ключ 6 разомкнут, якорь с обмоткой 2 нагружается на тормозной резистор 5, и ток якоря спадает:
я2
я
я
т
я
я1
dI/dt=(Е-IR)/L, где dI/dt - отношение производной тока якоря к производной времени, дающее скорость изменения тока якоря по времени;
я
я
Е- ЭДС якоря; I - среднее значение тока якоря; t - время;
я
т
L - индуктивность якоря; R - сопротивление тормозного резистора.
Таким образом, за один период работы транзисторного ключа 6 ток якоря 2 разгоняется во время его замкнутого состояния и спадает, когда якорь 2 нагружен на тормозной резисторе 5. В установившемся режиме:
1
я
я
1
2
я
т
я
2
я
я
я
я
т
1
2
1
dI=Е/L t=-dI=(IR-Е) t/L, где Е - ЭДС якоря; I - среднее значение тока якоря; t - время; L - индуктивность якоря; R - сопротивление тормозного резистора; t - время замкнутого состояния транзисторного ключа; t=Т-t - время разомкнутого состояния; Т - период.
я
1
я
т
я
1
Отсюда: Еt=(IR-Е)(Т-t),
я
1
я
1
я
т
1
Et+E(T-t)=IR(T-t),
я
я
т
1
ЕТ=IR(Т-t),
Я
Я
T
1
вкл
экв
т
вкл
Е/I=R(Т-t)/T, где левая часть зависимости представляет коэффициент заполнения импульса К, а правая часть зависимости представляет собой сопротивление нагрузки якоря 2-R/R, т.е. его эффективное значение при работе регулятора. Поэтому изменяя коэффициент заполнения импульса К (иначе коэффициент включения транзисторного ключа 6), с помощью устройства управления шириной импульса 7 - изменяя ширину импульса, можно обеспечить плавное, а не ступенчатое изменение сопротивления нагрузки и тормозного усилия тягового двигателя локомотива.
экв
т
вкл
экв
т
вкл
Линейная зависимость сопротивления нагрузки якоря, равное R/R, от коэффициента заполнения импульса К (%) показана на Фиг.2, где R - сопротивление якоря; R - сопротивление тормозного резистора; К  - коэффициент заполнения импульса (или коэффициент включения транзисторного ключа).
Предложенный в качестве изобретения регулятор электродинамического тормоза локомотива позволяет обеспечить повышение эффективности торможения путем поддержания постоянного тока якоря и тормозного усилия практически до остановки.