УСТРОЙСТВО ДЛЯ АВТОМАТИЧЕСКОГО РЕГУЛИРОВАНИЯ ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО РЕКУПЕРАТИВНОГО ТОРМОЗА ЭЛЕКТРОВОЗА ПОСТОЯННОГО ТОКА

Предложенная полезная модель относится к электрифицированному железнодорожному транспорту, а точнее к электровозам с питанием от контактной сети постоянного тока, на которых использовано рекуперативное торможение.
Известно устройство для автоматического регулирования рекуперативного тормоза электровоза постоянного тока, содержащее исполнительный элемент, например, мотор-генератор с входным транзисторным широтно-импульсным преобразователем, который включен в цепь питания обмотки возбуждения указанного мотор-генератора, причем выход указанного исполнительного элемента включен в цепь обмоток возбуждения тяговых электромашин, а его вход соединен с выходом системы регулирования, в состав которой входят задающий элемент, пропорционально интегральные регуляторы и датчики регулируемых величин [1].
Недостаток известного устройства связан с тем, что оно не обеспечивает ограничения по всем параметрам, влияющим на работоспособность и энергоэффективность рекуперативной схемы. К этим параметрам относятся напряжение на токоприемнике электровоза, ток рекуперации, т.е. ток якорных обмоток генерирующих электромашин, а также их ток возбуждения, скорость движения поезда и др. Это существенно снижает показатели надежности электровоза и не позволяет реализовать полный возврат электроэнергии, вырабатываемой в процессе торможения, в тяговую сеть.
В качестве прототипа предложенной полезной модели целесообразно принять устройство для автоматического регулирования электрического рекуперативного тормоза электровоза постоянного тока, содержащее исполнительный элемент, выход которого включен в цепь питания обмоток возбуждения тяговых электромашин электровоза, а его вход соединен с выходом многоконтурной системы регулирования, в состав которой входят установленный на контроллере машиниста задающий элемент и включенные параллельно-пропорционально-интегральные регуляторы для ограничения напряжения и тока якорных обмоток тяговых электромашин электровоза, а также тока их обмоток возбуждения с соответствующими датчиками указанных параметров в цепях обратной связи [2].
Недостаток прототипа связан с тем, что в нем не реализован полный набор функциональных требований в части управления торможением электровоза. Эти требования включают возможность задания и реализации следующих режимов [3,4]:
- стабилизация скорости движения поезда V на вредном спуске независимо от внешних возмущающих воздействий (изменение уклона, наличие кривых, влияние метеорологических факторов);
к
- реализация максимальной тормозной силы В , например, на подходе к остановке или к участку с ограничением скорости.
Технический результат данного предложения по полезной модели заключается в исключении указанных выше недостатков, т.е. в расширении функциональных возможностей прототипа.
Этот технический результат достигается за счет того, что дополнительно предусмотрен отдельный канал регулирования для стабилизации скорости движения электровоза на вредном спуске, включенный посредством двухпозиционного переключателя между выходом задающего элемента скорости и пропорционально-интегральным регулятором тока тяговых электромашин электровоза, причем в составе этого канала предусмотрены соединенные последовательно элемент сравнения для вычисления рассогласования по скорости движения электровоза, линейный усилитель для вычисления заданного значения тока рекуперации с ограничением максимально возможного значения этого тока и инерционный элемент для ограничения интенсивности нарастания тока рекуперации в переходных режимах по условиям продольной динамики поезда.
Сущность технического решения по заявляемой полезной модели разъясняется ниже на конкретном примере реализации.
На фиг.1 представлена принципиальная электрическая схема предложенного устройства (на примере двух тяговых электромашин с якорными обмотками Я1 и Я2, обмотки возбуждения которых ОВ1 и ОВ2 включены по типовой схеме независимого возбуждения [5]). Обмотки Я1-Я2 включены между токоприемником 1 электровоза и заземляющим устройством 2. Обмотки ОВ1-ОВ2 подключены к выходу возбудителя рекуперации ВР3, в качестве которого на эксплуатируемых электровозах ВЛ10, ВЛ11, ВЛ15 использован одноякорный преобразователь, получающий питание от контактной сети через токоприемник 1 по типовой схеме с выходным низковольтным генератором Я.
В принципе в качестве возбудителя 3 возможно применение мотор-генератора по схеме «двигатель постоянного тока 3 кВ - синхронный генератор переменного трехфазного тока - диодный выпрямитель». В перспективе возможно и применение чисто статического преобразователя, как это сделано на электровозе ЭП2К.
В классическом варианте ВР3 содержит якорную обмотку Я, нагруженную на обмотки возбуждения ОВ1 и ОВ2, причем в эту цепь включен датчик тока возбуждения ДТВ4, и обмотку независимого возбуждения ОВН, подключенную к выходу транзисторного ключа ТК5, работающего в режиме широтно-импульсного модулятора (ШИМ) и получающего питание от низковольтных цепей постоянного тока электровоза 50 В.
к
const
Собственно устройство автоматического управления и регулирования содержит задающий элемент ЗЭ6, вмонтированный в типовой контроллер машиниста. При помощи рукоятки 7 этого ЗЭ машинист задает режим торможения - максимальную тормозную силу В или постоянную скорость движения по вредному спуску V.
Для задания конкретного режима служит двухпозиционный переключатель 8. В его верхнем положении выход задатчика ЗЭ6 подключен к проводу 8А и далее к элементу сравнения 9 (это положение показано на рисунке 1).
В нижнем положении переключателя 8 выход ЗЭ6 подключается к проводу 8Б и посредством его на вход 10А логического элемента ИЛИ 10.
ф
ф
Указанный выше элемент сравнения (вычитания 9) другим своим входом подключен к датчику ДС11 фактической скорости электровоза V. Этот датчик, как и все другие, показанные на рисунке 1, выполнен по известному принципу [6]; его выходное напряжение на входе элемента 9 пропорционально скорости движения электровоза V.
к
Выход элемента сравнения 9 подключен ко входу регулятора скорости PC 12. Выход этого регулятора, структура которого подробно рассмотрена на фиг.2, подключен ко входу логического элемента ИЛИ 10. Таким образом, элемент ИЛИ 10 в зависимости от положения переключателя 8 получает либо сигнал максимальной тормозной силы В, либо сигнал рассогласования по скорости движения на вредном спуске
з
ф
причем V поступает с контроллера 6, а V - с датчика скорости электровоза 11.
max
вmax.
Выход логического элемента 10 подключен ко входу элемента сравнения 13; другой его вход подключен к выходу датчика тока якорных обмоток 14, а выход - к пропорционально-интегральному регулятору 15. Аналогичным образом включены элементы сравнения 16 и 17. К их входам подключены задатчики ЗЭ 18 и 19, обеспечивающие задание соответственно предельных значений напряжения U и тока возбуждения I К другим входам элементов 16 и 17 подключены выходы соответственно датчиков напряжения 20 и тока возбуждения 4. К третьим входам элементов сравнения 13, 16 и 17 подключен выход генератора пилообразного напряжения ГПН 21, а выходы всех указанных элементов сравнения 13, 16 и 17 подключены ко входам соответствующих пропорционально-интегральных регуляторов ПИР 15, 22 и 23, а их выходы - ко входам логического элемента 24. Его выход подключен ко входу ключа ТК-ШИМ 5.
язmах
язmах
На фиг.2 более подробно раскрыта схема регулятора скорости PC 12. Он подключен к выходу элемента сравнения 9 и содержит соединенные последовательно линейный усилитель 25 с ограничением выходной величины на уровне I и инерционный элемент 26 с экспоненциальной переходной характеристикой, имеющей предварительную ступень «а», где I=const и далее чисто экспоненциальную ступень «б» с постоянной времени 15-25 с, что необходимо для сглаживания продольных сил в поезде. Благодаря ступени «а» осуществляется предварительное сжатие поезда с усилием тормозной силы электровоза 15-20 тс, а затем эта сила нарастает:
к
- в нижнем положении переключателя 8 до заданного значения В (в этом режиме регулятор по рисунку 2 не работает);
з
- в верхнем положении переключателя 8 до значения, которое необходимо для стабилизации заданной скорости V на вредном спуске.
Электронные компоненты, показанные на рисунке 1-2, выполнены на типовых диодных логических микросхемах и на операционных усилителях постоянного тока [7].
Предложенное устройство работает следующим образом. При движении поезда на выбеге, т.е. с выключенными тяговыми электромашинами Я1-Я2, и при необходимости торможения поезда машинист переключателем 8 сначала задает режим:
- стабилизация скорости поезда (это положение переключателя показано на рисунке 1);
к
- стабилизация тормозной силы В для скорейшего замедления поезда, т.е. снижения его скорости, например перед участком, требующим ограничения скорости (нижнее положение 8).
к
Требуемый уровень стабилизации или ограничения V или В машинист задает рукояткой 7 задатчика 6.
к
я
Режим стабилизации В (соответственно I)
к
При стабилизации В соответствующий сигнал поступает на вход 10А элемента 10, а с его выхода в качестве сигнала заданного тока на элемент сравнения 13, осуществляющий вычисление рассогласования
Аналогичные рассогласования осуществляют элементы 16 и 17
ГПН
Все эти сигналы Δ, вычисленные по формулам (2-4) каждый по отдельности в каждом из элементов сравнения 13, 16 и 17, модулируются пилообразным напряжением U с выхода ГПН 21 как показано на рисунке 3 для случая, когда Δ>0. При этом длительность выходного сигнала каждого из элементов 13, 16, 17, обозначенная на фиг.3 через τ, обратно пропорциональна величине Δ.
Если в результате вычисления любого Δ по формулам (2-4) получается отрицательный сигнал, то имеем в соответствующем канале τ=0, т.е. на выходе соответствующего элемента 13, 16 или 17 имеет место нулевой сигнал.
Импульсные сигналы с выходов 13, 16 и 17 поступают на пропорционально-интегральные регуляторы 15, 22 и 23, которые через схему 24 управляют транзисторным ключом 5 в соответствии со следующим алгоритмом:
в
я
- если все Δ>0, то ТК 5 увеличивает ток ОВН ВР3, увеличивая тем самым ток I и ток рекуперации I;
в
я
- если хотя бы одна Δ при этом становится равной нулю (достигнут предел рекупирования), то ТК стабилизирует I и I;
в
я
- при хотя бы одном Δ<0 ТК понижает I и I для устранения перерегулирования.
Режим стабилизации скорости V
В этом режиме (см.фиг.1 и фиг.2) переключатель 8 находится в верхнем положении и сигнал с ЗЭ 6 по проводу 8А поступает на вход ЭС 9, который реализует операцию (1). Вычисленное рассогласование ΔV поступает на PC 12, а точнее на усилитель 25, который вычисляет значение заданного тока якорных обмоток тяговых электромашин электровоза. При этом реализован принцип смешанного многоконтурного подчиненного регулирования; в данном случае имеем два контура, соединенных последовательно. При этом контур регулирования тока якорных обмоток Я1-Я2, т.е. тока рекуперации, содержит три канала, работающих параллельно на ТК(ШИМ)5.
Из внешнего контура сигнал рассогласования по скорости движения поезда проходит через инерционное звено 26 и затем через элемент 10 поступает на элемент 13.
к
Далее схема управления работает так же, как и при стабилизации В. Но в этом режиме реализуется стабилизация скорости поезда на вредном спуске в соответствии с ее значением, заданным рукояткой 7 ЗЭ 6.
Эффективность данной полезной модели обеспечивается простотой и надежностью реализации режима стабилизации скорости при соблюдении всех других ограничений.
Источники информации, принятые во внимание при составлении описания данной полезной модели.
1. Тулупов В.Д. Автоматическое регулирование сил тяги и торможения ЭПС. М., Транспорт, 1974, с.286-288, рис.Х6.
2. Антипов В.А. и др. Система управления рекуперативным торможением модернизирована. Локомотив, 1997, №7, с.20-26, рис.2-4.
3. Никифоров Б.Д. и др. Автоматизация управления торможением поездов. М., Транспорт, 1985.
4. Осипов С.И., Осипов С.С., Феоктистов В.П. Теория электрической тяги. М., Изд. УМК, 2005.
5. Трахтман Л.М. Электрическое торможение ЭПС., М., Транспорт, 1965, глава 4.
6. Савоськин А.Н. и др. Автоматизация ЭПС. М., Транспорт, 1987, с.53-55.
7. Тахванов Г.Н. Операционные блоки автоматических управляющих устройств. М., Энергоатомиздат, 1989, гл. 2-3.