Способ повышения работоспособности электровозов переменного тока в режиме рекуперативного торможения и устройство для его реализации
METHOD FOR INCREASING THE PERFORMANCE OF THE AC ELECTRIC LOCOMOTIVES IN THE MODE OF RECOVERY BRAKING AND THE DEVICE FOR ITS IMPLEMENTATION

Изобретение относится к способу повышения работоспособности электровозов переменного тока в режиме рекуперативного торможения. Способ заключается в отслеживании импульсов управления, подаваемых на управляющие электроды тиристоров плеч выпрямительно-инверторных преобразователей (ВИП), и в случае пропуска импульса управления на одно из тиристорных плеч ВИП, блок управления ВИП формирует и подает новый импульс, предотвращая аварийный режим - короткое замыкание генератора, сохраняя тем самым работоспособность электровоза в режиме рекуперативного торможения. Изобретение включает в себя новый алгоритм управления ВИП электровоза и дополнительную установку блоков отслеживания импульсов на каждый ВИП.
Целью данного изобретения является сохранение работоспособности электровоза в режиме рекуперативного торможения при пропуске управляющих импульсов, подаваемых на тиристорные плечи ВИП, неизбежно вызывающих аварийный режим - короткого замыкания в его силовой цепи.
Анализ причин выхода из строя ВИП показал, что основная часть отказов и повреждений силовой части преобразователя происходит из-за повреждения электронных элементов и сбоев в работе системы управления преобразователем. Значительная часть таких отказов приходится на пропуск управляющих импульсов, подаваемых на управляющие электроды тиристоров плеч ВИП.
Пропуск импульса управления может произойти по ряду причин: неисправность блока управления, обрыв проводов управления, замыкание проводов на корпус, замыкания проводов между собой и др., вследствие чего образуется аварийный режим работы ВИП, ток многократно увеличивается и приводит к выходу из строя электрическое оборудование всей силовой цепи электровоза.
g
g
VS
На фиг. 1 показана диаграмма выпрямленного напряжения (U), тока генератора (I), направление электродвижущей силы тягового трансформатора (Е) и токов плеч ВИП (I) с типовым алгоритмом управления [1], на примере 4-ой зоны регулирования при пропуске импульса управления на тиристорное плечо VS2. На фиг. 2 показаны мгновенные схемы замещения ВИП на 4-ой зоне регулирования с типовым алгоритмом. Для более подробного анализа первый полупериод разбивается на временные интервалы 0-1-2-3-4-5-π, а второй полупериод - на интервалы π-6-7-8-9-10-2π, фиг. 1.
р
р
и
Допустим, что в первом полупериоде напряжения, обозначенном сплошной стрелкой, ток протекает на интервале 0-1 через тиристорные плечи VS1, VS8. В момент времени, соответствующий точке 1, после подачи импульса управления α (регулируемый угол открытия тиристоров) на тиристоры плеча VS3 начинается коммутация тока с тиристоров плеч VS1 на VS3. Коммутация γ, которой соответствует интервал 1-2, происходит под действием напряжения секции a1-1 вторичной обмотки тягового трансформатора. После окончания коммутации на интервале 2-3 напряжение инвертора определяется уже напряжением секций 1-х1 тягового трансформатора. В конце полупериода с опережением на угол β (угол опережения открытия тиристоров), точка 3, подаются одновременно импульсы управления на тиристорные плечи VS2 и VS7. Однако на плечо VS2 импульс управления не приходит по одной из указанных выше причин. В связи с этим отсутствует коммутация, с плеча тиристоров VS8 на плечо VS2, в этот момент образуется аварийный режим - короткое замыкание генератора. На интервалах 5-6-7-8-9-10-π; напряжение инвертора U равно нулю, так как ток генератора протекает через одновременно открытые плечи тиристоров, минуя вторичную обмотку тягового трансформатора. Из-за малого сопротивления выпрямленной цепи сила тока многократно увеличивается.
КЭ
Известны электровозы переменного тока ВЛ80Р, ВЛ85, ВЛ65, ЭП1(П, М), 2(3,4)ЭС5К, Э5К на которых применяются тиристорные ВИПы [1-3]. На данных электровозах в качестве защиты ВИП от аварийных режимов устанавливаются быстродействующие выключатели и реле перегрузки. В случае возникновения аварийного режима, цепи защиты срабатывают и разбирают схему работы рекуперативного торможения и электровоз теряет тормозной эффект В=0, появляется необходимость применения пневматического торможения. В этот момент в поезде происходят значительные продольные динамические реакции, которые могут привести к сходу подвижного состава с рельсового пути.
Технический результат - повышение работоспособности ВИП электровоза переменного тока в режиме рекуперативного торможения и исключение развития аварийного режима - короткого замыкания генератора.
Предлагаемый способ повышения работоспособности электровоза переменного тока не только исключает выход из строя электрического оборудования цепи преобразователя, но и сохраняет режим рекуперативного торможения электровоза в эксплуатации.
Способ заключается в совершенствовании алгоритма управления ВИП и дополнительной установке на каждом преобразователе блоков отслеживания импульсов. Блок устанавливается непосредственно на самом преобразователе и подключается параллельно к проводам управления ВИП, фиг. 3. Блок содержит две параллельно включенные группы диодов, условно разделяющие подходящие к ВИПу провода управления на 1-ю и 2-ю группы. К 1-ой группе относятся тиристорные плечи преобразователя: VS1, VS2, VS3, VS4, а ко 2-й: VS5, VS6, VS7, VS8. При работе преобразователя на каждой из зон регулирования одновременно, согласно типовому алгоритму [1], подаются импульсы β на плечи преобразователя 1-й и 2-й группы. Блок осуществляет обратную связь с блок управления с помощью двух выходящих из него проводов управления, фиг. 3. При отсутствии на одном из проводов сигнала, система управления включает предлагаемый (аварийный) алгоритм работы плеч инвертора фиг. 4.
g
g
VS
Рассмотрим процесс работы ВИП в режиме рекуперативного торможения при пропуске импульса управления согласно предлагаемому алгоритму управления тиристорными плечами на примере четвертой зоны регулирования. На фиг. 5 показана диаграмма выпрямленного напряжения (U), тока генератора (I), направление электродвижущей силы контактной сети (Е) и токов плеч ВИП (I) с типовым алгоритмом управления (фиг. 4), на примере 4-й зоны регулирования при пропуске импульса управления на тиристорное плечо VS2.
Для более подробного анализа рассмотрим четыре полупериода каждый из которых разбивается на временные интервалы: 0-1-2-3-4-5-π, π-6-7-2π, 2π-8-9-10-11-3π, 3π-12-13-14-4π, фиг. 5. Мгновенные схемы замещения ВИП во временных интервалах: 0-1-2-3-4-5-π, π-6-7-2π, 2π-8-9-10-11-3π, 3π-12-13-14-4π, представлены на фиг. 6.
р
р
р
и
Пусть в полупериоде питающего напряжения, в котором эдс обозначена сплошной стрелкой, ток инвертора протекал через плечи VS1 и VS8, этому соответствует интервал 0-1. В момент времени, соответствующий точке 1, управляющий импуль α подается на тиристоры плеча VS3. После этого происходит коммутация тока с длительностью γ с плеча VS1 на плечо VS3 инвертора. Мгновенная схема замещения ВИП во временном интервале 1-2. После фазовой коммутации γ ток инвертора будет протекать через тирсисторные плечи VS3 и VS8, чему соответствует интервал 2-3. В момент времени, соответствующий углу опережения β, точка 3, происходит подача импульсов на тиристоры плеч VS2 и VS7. Однако на плечо VS2 импульс управления не приходит. В связи с этим отсутствует коммутация тока с плеча тиристоров VS8 на плечо VS2, в этот момент начинается образование аварийного режима - короткое замыкание генератора. Система управления фиксирует отсутствие сигнала на тиристорном плече VS2. После чего импульсы управления буду подаваться на тиристорные плечи инвертора согласно аварийному алгоритму управления, фиг. 4. На интервале 4-5 происходит коммутация тока с плеча VS3 на плечо VS7. Мгновенная схема замещения ВИП во временном интервале 4-5. На интервале 5-6 напряжение инвертора U равно нулю, так как, ток генератора протекает через одновременно открытые плечи тиристоров, минуя вторичную обмотку тягового трансформатора. В момент времени, соответствующий углу опережения β, точка 6, происходит подача импульсов на тиристоры плеч VS1 и VS8. Происходит коммутация тока с тиристорного плеча VS7 на плечо VS1. В соответствии с аварийным алгоритмом управления тиристорными плечами инвертора, фиг. 4, в момент времени, соответствующий точке 10, управляющие импульсы β подаются одновременно на тиристоры плеч VS4 и VS7. В результате происходит коммутация, сначала в большом контуре с тиристорного плеча VS1 на тиристорное плечо VS7, потом в малом контуре с тиристорного плеча VS8 на тиристорное плечо VS4. Далее ток инвертора будет протекать через тиристорные плечи VS4 и VS7, чему соответствует интервал 12-13, тем самым поддерживается напряжение на выходе инвертора для ограничения тока якоря. Таким образом исключается возникновение короткого замыкания генератора.
Предлагаемый (аварийный) алгоритм управления тиристорными плечами ВИП в режиме рекуперативного торможения при пропуске импульса управления на одно из плеч инвертора не только предотвратит выход из строя электрического оборудования цепи ВИП, но и сохраняет режим рекуперативного торможения электровоза в эксплуатации.
Список источников
1. Б.А. Тушканов, Н.Г. Пушкарев, Л.А. Позднжова и др. Электровоз ВЛ85. Руководство по эксплуатации. М., 1992, 480 с.
2. Руководство по эксплуатации. Электровоз магистральный 2ЭС5К (ЗЭС5К) Ермак. ИДМБ.661142.009РЭ. - 2006.
3. Электровоз ЭП1. Руководство по эксплуатации. Том 2 в 4-х книгах. "ПК "НЭВЗ", 2006 г. - 580 с.