УСТРОЙСТВО ПОВЫШЕНИЯ ЭФФЕКТИВНОСТИ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ РЕЖИМА РЕКУПЕРАТИВНОГО ТОРМОЖЕНИЯ ЭЛЕКТРОВОЗОВ ПЕРЕМЕННОГО ТОКА

Изобретение предназначено для применения на тяговом электроподвижном подвижном составе переменного тока системы плавного регулирования напряжения на тяговых электродвигателях для управления режимом рекуперативного торможения (РТ).
Режим рекуперативного торможения используется на электровозах переменного тока с плавным регулированием напряжения на коллекторных тяговых двигателях (используется выпрямительно-инверторный преобразователь - ВИП). Особенностью данного режима является возврат генерируемой электрической энергии в контактную сеть. Основной необходимостью при использовании режима РТ является наличие полностью управляемого преобразователя энергии (выполненного на управляемых вентилях - тиристорах), а также необходимые системы управления преобразователем (блок управления ВИЛ - БУВИП).
Известно два способа: Способ управления однофазным инвертором [1] и Способ выравнивания нагрузок тяговых двигателей [2]. Предложено увеличить устойчивость работы режима РТ, благодаря адаптации импульсов управления под ток якоря, путем отслеживания наибольших потенциальных условий на ряде работающих генераторов. Способ достаточно интересен, но для его реализации необходимо произвести сложное перепрограммирование микропроцессорных устройств диагностики (для современных электровозов нового поколения), либо установить сложные электронные устройства с микропроцессорной системой управления (для электровозов старых серий), а не изменить само устройство, участвующее в управлении режимом РТ, что снижает надежность управления, данным режимом. Также следует отметить высокую стоимость реализации данного способа.
p
Известна электронная кассета БУВИП, участвующая в реализации режима РТ - блок фазового управления (БФУ), предназначенный для преобразования напряжения управления, поступающего с контроллера машиниста, в импульсы управления α, фаза переднего фронта которых регулируется при изменении этого напряжения [3, 4|. Авторами предложено повысить эффективность работы данной кассеты, путем ее модификации. Таким образом прототипом изобретения является кассета БФУ-535 БУВИП 133, описанная в технической руководства по эксплуатации электровозов серии ВЛ80Р и ВЛ85 [3, 4].
Недостатком работы БФУ-535 БУВИП-133 [3, 4] электровоза является уменьшение только скорости нарастания тока якоря при его повышении и отсутствие контура автоматического регулирования тока при изменении скорости движения электровоза. Это сохраняется и на современных микропроцессорных блоках управления (БУ-199). Для того чтобы поддержать заданную тормозную силу необходимо штурвалом машиниста непрерывно регулировать противо-ЭДС выпрямительно-инверторного преобразователя в зоне низких и средних скоростей (по каналу ВИЛ), а в зоне высоких скоростей тормозной рукояткой регулировать ток возбуждения посредством выпрямительной установки возбуждения (по каналу ВУВ). На электровозах однофазно-постоянного тока режим рекуперативного торможения при ручном управлении имеет большую трудоемкость процесса регулирования тормозной силы при изменении тока якоря в зависимости от изменения скорости движения. Обеспечение заданной тормозной силы требует от машиниста электровоза большой трудоемкости и дополнительного внимания, что снижает его бдительность за движением поезда по участку пути, следовательно, и безопасность движения.
Предлагается устройство повышения эффективности использования режима рекуперативного торможения электровозов переменного тока. Устройство представляет собой модифицированную кассету БФУ-535 БУВИП 133, дополненную 7-ю блоками для повышения функциональности данной кассеты. Предлагаемое устройство позволит исключить рассмотренные выше недостатки.
На фигуре 1, представлена функциональная схема модифицированной кассеты БФУ-535М БУВИП 133. Назначение дополнений блока (БФУ-535М):
- Выбор управления рекуперативным торможением электровозов ВЛ80Р ручное / автоматическое;
- Повышение энергетических показателей электровозов ВЛ80Р в режиме рекуперативного торможения на четвертой зоне регулирования;
- Защита блоков балластных резисторов (ББР) от токовой нагрузки электровозов переменного тока в режиме ручного управления тормозной силой;
- Корректировка машинистом тока возбуждения;
- Обеспечение плавности нарастания тока возбуждения и автоматическое поддержание тормозной силы;
- Обеспечение работы электровоза ВЛ80Р в режиме автоматического управления рекуперативным торможением с обратной связью по току возбуждения и без него;
- Автоматическое ограничение тормозной силы электровоза по сцеплению.
БФУ-535М (БУВИП-133) содержит следующие блоки:
- Блок ограничения тока якоря (БОТЯ);
- Блок выбора ручного/автоматического управления (БВР/А);
- Блок повышения энергетических показателей (БПЭП);
- Блок регулирования токов якоря и возбуждения (БРТЯ и БРТВ);
- Блок корректировки тока возбуждения (БКТВ);
- Блок ограничения тормозной силы по сцеплению (БОТСС).
На фиг.1 представлена функциональная схема модифицированного блока БФУ-535М. Пунктирной линией выделены добавленные блока обозначенные выше.
Регулятор защиты блоков ББР от токовой нагрузки электровозов переменного тока в режиме ручного управления тормозной силой (БОТЯ) (1, фиг.1) предназначен для ограничения максимального тока якоря по току уставки блока балластных резисторов (ББР) независимо от скорости движения электровоза и заданного тока якоря при работе в ручном управлении режимом рекуперативного торможения.
Устройство содержит два интегральных регулятора тока: регулятор по каналу ВИП (фиг.2) и регулятор по каналу ВУВ (фиг.3). Регулятор тока по каналу ВИП работает в зоне низких и средних скоростей движения, в зоне высоких скоростей работает регулятор по каналу ВУВ.
Входным сигналом предлагаемого регулятора является сигнал отрицательной полярности, поступающего от инвертора А12, истинного значения напряжения, пропорциональный максимальному току якорей тяговых двигателей, поступающему (дополнительно) на вход кассеты БФУ-535 X1 а4 b4 БУВИП-133 с блока питания БП-542 Х2 а4 b4, который сравнивается с опорным напряжением регулятора канала ВИП, через делитель напряжения R115 и R118 (фиг.2), а затем - с опорным напряжением канала ВУВ через делитель напряжения R135 и R136 (фиг.3).
min
max
При изменении тока якоря, в зависимости от скорости движения, на интегральном регуляторе А15 появляется сигнал, который при превышении опорного напряжения на делителе R115 и R118, соответствующему максимальному току якоря 750±50А (уставка), включает в работу интегральный регулятор А15, который через резистор R130 плавно открывает транзистор VT34 (фиг.2). Вследствие этого напряжение управления по каналу ВИП уменьшается, что будет пропорционально увеличивать фазу импульсов на выходах фазорегуляторов кассеты БФУ-535 от α к α открытия тиристоров ВИП, это автоматически ограничивает ток якоря на уровне заданной уставки (фиг.2).
При выборе 3,5 зоны регулирования управления ВИП и дальнейшем увеличении тока якоря происходит превышение опорного напряжения на делителях R135 и R136, включается в работу интегральный регулятор А19, который через резистор R140 плавно открывает транзистор VT35 (фиг.3).
max
min
Вследствие этого напряжение управления по каналу ВУВ уменьшается, что будет пропорционально уменьшать фазу импульсов на выходах фазорегуляторов кассеты БФУ-535 от α к α открытия тиристоров ВУВ, уменьшая ток возбуждения, тем самым автоматически поддерживая максимальный ток якоря на заданном уровне тока уставки ББР.
Зону нечувствительности выбирают такой, чтобы в зоне малых и средних скоростей движения электровоза работал канал ВИП, а при достижении максимальной противо-ЭДС (4-я зона) в работу включался канал ВУВ, регулируя ток возбуждения. Опорное напряжение канала ВУВ сравнивается с напряжением выхода канала ВИП, и при его превышении в работу включается регулятор тока якоря по каналу ВУВ, изменяя ток возбуждения, автоматически поддерживая заданный ток якоря во всем диапазоне изменения скоростей движения электровоза.
Ограничение по току уставки ББР выставляется подбором резисторов R115, R118 по каналу ВИП, а порог нечувствительности срабатывания канала ВУВ подбором резисторов R135, R136 (фиг.3).
Предлагаемое устройство ограничения тока якоря по каналу ВИП состоит из: делителя R168, R103, усилителей с ограничением А15, А19 и усилителя обратной связи, от датчиков тока якоря А12, делителя напряжения R115, R118 с опорным источником питания, ограничивающего резистора R130, защитных элементов R132 и V29, транзистора VT34, защитных диодов V31, V32 (фиг.2).
Предлагаемое устройство ограничения тока якоря по каналу ВУВ состоит из: делителя напряжения R136, R135 с опорным источником питания, ограничивающего резистора R140, защитных элементов R141 и V23, транзистора VT35 (фиг.3).
В режиме ручного управления учувствуют узлы ограничения максимального задания тока якоря и тока возбуждения. Они выполнены на усилителях с ограничением А15, А19 и усилителе обратной связи, от датчиков тока якоря А12. Ограничение тока якоря определяется делителем R168, R103, падением на диодах V31, V32 и транзисторе VT34 (≈1,8 В) это соответствует 3,5 зонам регулирования. При выходе этого регулятора за уставку 750±50А, вступает в работу ограничитель задания тока возбуждения, его уставка определяется падением напряжения на VT35 (фиг.3).
Новизна заключается в том, что в блок фазового управления (БФУ-535) дополнительно введен интегральный регулятор тока якоря по каналу ВИП и интегральный регулятор тока якоря по каналу ВУВ, который автоматически поддерживает заданный максимальный ток якоря во всем диапазоне изменения скоростей движения электровоза.
Блок выбора автоматического или ручного управления рекуперативным торможением электровозов серии ВЛ80Р (БВР/А) (2, фиг.1) предназначен для выбора ручного или автоматического управления рекуперативным торможением электровозов ВЛ80Р.
Блок выбора режима управления (ручное/автомат) состоит из элементов DD1, состоящие из четырех электронных ключей, транзистора VT33, компаратора напряжения А13 и триггера DD2.1 и DD2.2 (фиг.4).
упр вип
пит
упр вип
упр вув
Рассмотрим ручное управление в режиме рекуперативного торможения (напряжение управления U=0-9 В), штурвал контроллера машиниста электровоза устанавливается в третью или четвертую зону регулирования напряжения. На входе D триггера DD2.2 устанавливается логический ноль. Транзистор VT33 закрыт, соответственно на управляющих входах С электронных ключей DD1.1 и DD1.2 присутствует логическая единица, электронные ключи открыты, на выходе DD1.2 установлен логический ноль и на выходе DD1.1 устанавливается напряжение питания + U. Выход DD1.1 определяет ограничение тока якоря на уровне 1000А, что соответствует 3,5 зонам регулирования напряжения на ВИП (задается делителем R143, R145). В начальный момент увеличения задания тока возбуждения до порога срабатывания компаратора А13 на его выходе формируется логический ноль. После превышения напряжения управления возбуждения тормозной рукояткой, на его выходе формируется логическая единица, которая устанавливает триггер DD2.1 в единичное состояние и по фронту перехода из ноля в логическую единицу в триггере DD2.2 происходит запись с входа D логического ноля на выход. При этом на инверсном выходе DD2.2 формируется логическая единица, которая открывает электронные ключи DD1.3, DD1.4, разрешая прямое прохождение сигнала от штурвала контроллера машиниста U с адреса X1 а9 b9 и от тормозной рукоятки контроллера машиниста U X1 а7 b7 на каналы управления формирования фазы штатной схемы БФУ-535. Этот же сигнал подается на усилитель ограничитель А14 через R121 (прямой вход). При этом на его выходе всегда будет напряжение близкое к нолю. Это напряжение блокирует работу автоматической системы регулирования тормозной силы (фиг.4).
упр вип
В режиме автоматического управления (напряжение управления U=36-27 В - штурвал контроллера машиниста электровоза устанавливается в первую или вторую зону регулирования напряжения) на входе D триггера DD2.2 присутствует логическая единица, и транзистор VT33 закрыт. Электронные ключи DD1.1, DD1.2 открыты. По переходу компаратора А13 из нулевого в единичное состояние, переписывается информация на выход триггера DD2.1 и на инверсном выходе триггера DD2.2 формируется логический ноль. Ключи DD1.3 и DD1.4 через R107 запираются. Этим обеспечивается запрет прохождения сигналов от задания напряжения возбуждения и напряжения ВИП в БФУ. Логический ноль на выходе DD2.2 разрешает работу усилителя А14, включая в работу систему автоматического регулирования (фиг.4).
Устройство, повышающее возврат электрической энергии в контактную сеть при работе электровоза на четвертой зоне регулирования (БПЭП) (3, фиг.1) предназначено для повышения энергетических показателей электровоза в режиме рекуперативного торможения на четвертой зоне регулирования ЭДС инвертора.
Устройство выполнено на операционном усилителе (ОУ) А20, включенного по схеме пропорционально-интегрального (ПИ) регулятора (фиг.5).
На инверсный вход регулятора подается напряжение обратной связи с датчиков тока якоря в адрес X1 а4 b4 кассеты БФУ-535 через инвертор напряжения, выполненный на операционном усилителе А12. На прямой вход через ключ DD1.1 и делитель R143, R145 подается опорное напряжение определяющее зону нечувствительности регулятора. Выходное напряжение регулятора определяется формулой  dt соответственно при снижении тока якоря ниже порога заданного резисторами R143, R145 будет увеличиваться выходное напряжения регулятора, которое подается на вход штатной схемы фазорегулятора кассеты БФУ-535, тем самым увеличивая фазу угла отпирания тиристоров плеча ВИП пропорционально снижению тока якоря. Тем самым, обеспечивается увеличение напряжения вторичной обмотки тягового трансформатора, коэффициент трансформации трансформатора уменьшается, а возврат энергии в контактную сеть увеличивается (фиг.5).
Устройство автоматического регулирования тормозной силы (БРТЯ и БРТВ) (4, фиг.1) предназначено для автоматического поддержания заданной тормозной силы электровоза в режиме рекуперативного торможения путем регулирования тока якоря и тока возбуждения в зависимости от скорости движения электровоза.
упр вув
упр вув
обр связи
На инвертирующий вход усилителя А14 подается инверсный сигнал (инверсия выполнена на элементе А12) от датчиков тока якоря и сигнал задания напряжения возбуждения U. Таким образом, на выходе А14 формируется сигнал рассогласования U-U, который поступает на регулятор тока возбуждения А16 и А17 по каналу ВУВ и регулятор тока якоря А18 по каналу ВИП (фиг.6).
В исходном состоянии, когда входной сигнал на А16 меньше опорного напряжения делителя R127, R128, на выходе усилителя А17 имеется положительный потенциал, который запирает диод V19. По мере увеличения входного сигнала на выходе усилителя А16 появляется напряжение, и, как только оно сравнивается с опорным напряжении на делители R127, R128, операционный усилитель А17 переключается в другое состояние, т.е. на выходе усилителя А17 появляется отрицательный потенциал, и диод V19 открывается. Через V19 подключается обратная связь на А16, этот сигнал определяет плавность нарастания задания тока возбуждения до установленного уровня задатчиком возбуждения (тормозной рукояткой). Сигнал с А16 подается на блок автоматического регулятора тока возбуждения, который состоит из инвертора и ограничителя напряжения, выполненных на операционных усилителях А21, А22. В данном регуляторе присутствуют два джампера 1, 2 (фиг.6), определяющие режимы работы либо с обратной связью по току возбуждения либо без нее. Если установлен джампер 1, то регулятор работает без обратной связи, если установлен джампер 2, то осуществляется автоматическая регулировка тока возбуждения по обратной связи от датчиков тока возбуждения.
Устройство автоматического регулирования тока возбуждения выполнено на операционном усилителе (ОУ) А22 (фиг.7), включенного по схеме пропорционально-интегрального (ПИ) регулятора. На инверсный вход регулятора А22 подается напряжение обратной связи с датчиков тока возбуждения. На этот же вход подается проинвертированное напряжение с задания тока якоря тормозной рукояткой возбуждения (инверсия выполнена на операционном усилителе А21). Таким образом, на выходе регулятора получаем рассогласование. Соответственно при снижении тока возбуждения будет увеличиваться выходное напряжения регулятора (при увеличении обратный процесс), которое подается на вход штатного фазорегулятора тока возбуждения кассеты БФУ-535, автоматически уменьшая фазу угла отпирания тиристоров ВУВ, увеличивается ток возбуждения. Таким образом, осуществляется поддержка заданного тока возбуждения в автоматическом режиме управления рекуперативного торможения.
Блок корректировки тока возбуждения штурвалом контроллера (БКТВ) (5, фиг.1) предназначен для корректировки тока возбуждения при снижении напряжения контактной сети и регулировки характеристики ограничения тормозной силы по сцеплению.
В блок регулировки тока возбуждения введена цепь позволяющая машинисту электровоза корректировать этот ток, состоящая из стабилитрона V26, делителя напряжения R151, R152 и диода V25, который обеспечивает потенциальную развязку (фиг.8).
При увеличении напряжения управления ВИП, штурвалом машиниста, напряжение на делителе R151, R152 увеличивается и как только оно превысит напряжение заданного делителем R127, R128, диод V25 открывается, тем самым увеличивая опорное напряжение канала регулирования тока возбуждения. При достижении напряжения управления ВИП, напряжения стабилизации V26, напряжение делителя R151, R152 остается неизменным (фиг.8).
Таким образом, машинист может осуществлять корректировку величины тока возбуждения при изменении напряжения контактной сети.
Блок ограничения тормозной силы по сцеплению (БОТСС) (6, фиг.1) предназначен для автоматического ограничения тормозной силы электровоза по сцеплению.
макс
упр вув
Блок ограничения тока якоря по максимальному сцеплению, содержит следующие узлы: формирователь максимального тока якоря (I), ограничитель напряжения управления ВУВ (U), инвертор знака заданного напряжения.
оп
упр вип
вых
упр вув
оп
упр вип
Формирователь максимального тока якоря выполнен на операционном усилителе А23 на его инвертированный вход подается сумма напряжений: опорное напряжение (U) и напряжение управления ВИП (U) в автоматическом режиме управления рекуперативным торможением электровоза. Выходное напряжение ОУ А23 равно U=U-(U+U), что является опорным напряжением ограничителя напряжения управления ВУВ (прямой вход ОУ А26) (фиг.9).
упр вув
упр вув
оп
Ограничитель напряжения управления ВУВ выполнен на операционных усилителях А25 и А26. Напряжение на выходе А25 изменяется плавно от U до тех пор, пока U не превысит U напряжения, поданного от формирователя максимального тока якоря на прямой вход А26. После превышения опорного напряжения, ОУ А26 переключится в состояние, на выходе которого присутствует положительный потенциал, за счет этого открывается диод V33 и подключает обратную связь ОУ А25 и выходное напряжение А25 ограничивается на уровне опорного напряжения прямого входа ОУ А26 (фиг.9).
в
в
Наклон характеристики ограничения тормозной силы по сцеплению определяется напряжением управления ВИП, изменением напряжения на делителе R171, R172 которое изменяется при работе автоматического режима рекуперативного торможения. Опорное напряжение на делителе R169, R170 формирователя максимального тока якоря задает начальные условия скорости равные 0 км/ч при I=const и задает начальный ток якоря при I равный 880-900 А (фиг.9).
При росте напряжения управления ВИП в режиме автоматического управления тормозной силой электровоза на выходе ОУ А23 напряжение уменьшается, соответственно заданный ток якоря тоже уменьшается (выходное напряжение ОУ А25), если его величина была большей (процесс ограничения тока якоря) (фиг.9).
в
упр вув
упр вув
В автоматическом режиме регулировании тормозной силы до 3,5 зон регулирования ЭДС инвертора I=const и U=const, на наклон характеристики тормозной силы по сцеплению не влияют. После превышения 3,5 зоны регулирования в работу включается канал регулировки по току возбуждения и далее изменяется U в зависимости от работы блока автоматики.
При уменьшении тока возбуждения происходит изменения наклона характеристики ограничения тормозной силы по сцеплению вправо, для удержания постоянства тормозной силы за счет увеличения тока якоря.
в
я
При уменьшении тока I на выходе ОУ А23 напряжение увеличивается и соответственно увеличивается напряжение на ОУ А26 при этом ток I увеличивается (фиг.9). За счет корректировки тока возбуждения штурвалом контроллера машиниста, появляется возможность производить сдвиг всей характеристики ограничения тормозной силы по сцеплению влево или вправо, в зависимости от снижения или увеличения тока возбуждения. Такую регулировку машинист может применять для снижения вероятности образования юза колесных пар электровоза при различных погодных условиях и состояния пути.
Полная принципиальная схема модифицированной кассеты БФУ-535М представлена на фиг.10.
Технический результат работы предлагаемого устройство повышения эффективности использования режима рекуперативного торможения электровозов переменного тока, заключается в следующем:
- Управление рекуперативным торможением электровозов ВЛ80Р в ручном и автоматическом режиме;
- Повышение энергетических показателей электровозов ВЛ80Р в режиме рекуперативного торможения на четвертой зоне регулирования;
- Защита блоков балластных резисторов (ББР) от токовой нагрузки электровозов переменного тока в режиме ручного управления тормозной силой;
- Корректировка машинистом тока возбуждения при изменении напряжения в контактной сети;
- Работу электровоза ВЛ80Р в режиме автоматического управления рекуперативным торможением с обратной связью по току возбуждения и без него;
- Автоматическое ограничение тормозной силы электровоза по сцеплению;
- Выбор ручного или автоматического управления режимом рекуперативного торможения электровоза без дополнительных средств коммутации.