СИСТЕМА УПРАВЛЕНИЯ ТЯГОВЫМИ ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЯМИ ВАГОНОВ МЕТРОПОЛИТЕНА

Группа полезных моделей относится к электрическим системам управления тяговыми электродвигателями вагонов метрополитена и является функциональной частью электрической принципиальной схемы вагона. Заявляется общая система управления тяговыми электродвигателями вагонов метрополитена и ее функциональные части (подсистемы): система защиты и контроля тяговых двигателей и система контроля тока тяговых электродвигателей в режиме динамического торможения.
В качестве прототипа первого объекта выбрана Система управления тяговыми электродвигателями вагонов метрополитена [Акционерное общество «МЕТРОВАГОНМАШ». Руководство по эксплуатации вагонов метрополитена моделей 81-717.5 и 81-714.5, - Москва: «Транспорт», 1993, стр.193, (Рис.8.5 Силовая схема электрических цепей тягового электропривода)].
В этой схеме применены контактные аппараты коммутации и контроля, такие как:
- реостатный контроллер (типа ЭКГ-39) с набором силовых контактов РК1-РК26 (типа КЭ-47) и сервоприводом СДРК (типа ПЛ-072Г), выполняющий функцию одного из основных коммутирующих устройств якорных цепей тяговых электродвигателей,
- реле ускорения и торможения РУТ (типа Р-52Б), которое используется для контроля величин пусковых и тормозных токов в цепях тяговых электродвигателей с формированием уставок их ограничения с учетом режима работы силовой схемы вагона и его загрузки.
- реле перегрузки РП (типа РМ-3001) с группой реле тока, которое используется для контроля величины аварийных токов в цепях тяговых электродвигателей (функция РП1-3, РП2-4, РПЛ), контроля тока в цепи обмоток возбуждения тяговых электродвигателей (функция Р3-3), а также наличия аварийного напряжения в якорной цепи в тормозном режиме (функция Р3-1).
- реле контроля тормозного тока РКТТ (типа Р-52Б), которое осуществляет контроль величины тока тяговых двигателей в режиме электродинамического торможения; контакты реле включены в последовательную цепь контроля электродинамического торможения вагонов поезда, которая воздействует на устройства поездной автоматики.
- реле тока РТ2 (типа РЭВ-830), которое осуществляет контроль величины тока тяговых двигателей в режиме электродинамического торможения и при снижении тока тормозного контура осуществляет включение вентиля замещения пневматического тормоза.
Используемые в схеме электромагнитные реле срабатывают при достижении пороговых величины пусковых и тормозных токов, и переключают элементы схемы управления вагоном. Основным недостатком работы схемы является погрешность срабатывания электромагнитных реле, вызываемая износом опорных узлов якорей реле. Кроме того, погрешность срабатывания обуславливается ручной механической настройкой, что приводит к нарушению режимов управления процессом ввода-вывода токоограничивающих резисторов цепи тяговых электродвигателей. Для вагонов, оборудованных тяговыми двигателями типа ДК-116, превышение граничных уставок пусковых и тормозных токов в большинстве случаев вызывает круговой огонь по коллектору двигателя, особенно в режиме работы в зоне ослабления поля.
Реостатный контроллер предназначен для изменения сопротивления цепи тяговых электродвигателей в процессе пуска, разгона и электродинамического торможения вагона. Движение вала реостатного контроллера обеспечивается сервоприводом, в состав которого входит электродвигатель постоянного тока (типа ПЛ-072Г). Усилие от двигателя на кулачковый вал реостатного контроллера передается через двухступенчатый червячный редуктор и соединительную муфту. В вагонах серии Е на валу червячного редуктора установлен дисковый электромагнитный тормоз. Задача сервопривода - обеспечение вращения и точной остановки вала реостатного контроллера в заданных позициях под воздействием элементов общей схемы управления.
В процессе интенсивной эксплуатации механические элементы привода, передающие вращение валу реостатного контроллера, изнашиваются, появляются люфты, влияющие на снижение точности остановки вала в заданной позиции. Это в свою очередь существенно отражается на процессе коммутации, дополнительно сокращает срок службы контактов силовых цепей РК1-РК26 реостатного контроллера и, как правило, вызывает появление аварийных токов в цепях тяговых двигателей и их перегрузку.
Прототипом второго объекта полезной модели - Системы защиты и контроля тяговых электродвигателей, является функциональная часть описанной выше схемы. Представленная на Силовой схеме электрических цепей тягового электропривода Система защиты и контроля тяговых электродвигателей включает описанные выше элементы: реле ускорения и торможения РУТ, реле перегрузки РП с группой реле РПЛ, РП1-3, РП2-4, Р3-3 и Р3-1. Эта схема применительно к вагонам моделей 81-717 и 81-714 реализуется в отдельном ящике -ящик ЯР-13.
Прототипом третьего объекта настоящей заявки - Системы контроля тока тяговых электродвигателей в режиме динамического торможения, является другая функциональная часть описанной выше схемы. Прототип этой системы имеет в своем составе два электромагнитных реле:
- реле контроля тормозного тока РКТТ,
- реле тока РТ2
Эта схема применительно к вагонам моделей 81-717 и 81-714 реализуется в отдельном ящике - ящик ЯР-27.
Все недостатки, описанные выше в отношении прототипа общей схемы в целом относятся и к прототипам заявляемых функциональных частей.
В основу полезной модели поставлена задача расширения арсенала средств и создание новой, надежной в эксплуатации, системы управления тяговыми электродвигателями вагонов метрополитена и входящих в нее подсистем: системы защиты и контроля тяговых электродвигателей и системы контроля тока торможения тяговых электродвигателей. Достигаемый технический результат -обеспечение точной остановки вала реостатного контроллера в заданной позиции за счет возможности применения шагового двигателя, точно позиционируемого программируемой электронной схемой управления.
Поставленная задача решается в первом объекте тем, что система управления тяговыми электродвигателями вагонов метрополитена содержит датчики тока и напряжения, и от прототипа отличается тем, что имеет в своем составе:
- первый датчик тока, используемый для осуществления контроля номинальных и аварийных токов в первой группе тяговых электродвигателей, и предназначенный для установки последовательно с тяговыми электродвигателями первой группы двигателей,
- второй датчик тока, используемый для осуществления контроля номинальных и аварийных токов второй группы тяговых электродвигателей, предназначенный для установки последовательно с тяговыми электродвигателями второй группы двигателей,
- третий датчик тока, используемый для контроля за превышением максимально допустимого тока возбуждения тяговых электродвигателей, и предназначенный для подсоединения к первому регулятору тока возбуждения,
- четвертый датчик тока, используемый для контроля за величиной тока электродвигателя в режиме торможения вагона, предназначенный для установки в цепь динамического торможения тяговых электродвигателей,
- датчик напряжения, используемый для осуществления контроля за величиной аварийного напряжения в цепи якорей электродвигателей, предназначенный для установки в цепь якорей тяговых электродвигателей второй группы двигателей,
- программируемым логический контроллер, соединенный с аналого-цифровым преобразователем, с которым соединены информационные выходы датчика напряжения и датчиков тока, в качестве которых использованы датчики Холла, при этом программируемый логический контроллер выполнен с возможностью программного управления шаговым двигателем, обеспечивающим движение вала реостатного контроллера, используемого для изменения сопротивления цепи тяговых электродвигателей в процессе пуска, разгона и электродинамического торможения вагона.
Второй объект полезной модели - система защиты и контроля тяговых электродвигателей - в первом варианте характеризуется тем, что содержит датчики тока и напряжения, и от прототипа отличается тем, что имеет в своем составе:
- первый датчик тока, используемый для осуществления контроля номинальных и аварийных токов в первой группе тяговых электродвигателей, и предназначенный для установки последовательно с тяговыми электродвигателями первой группы двигателей,
- второй датчик тока, используемый для осуществления контроля номинальных и аварийных токов второй группы тяговых электродвигателей, предназначенный для установки последовательно с тяговыми электродвигателями второй группы двигателей,
- третий датчик тока, используемый для контроля за превышением максимально допустимого тока возбуждения тяговых электродвигателей, и предназначенный для подсоединения к первому регулятору тока возбуждения,
- датчик напряжения, используемый для осуществления контроля за величиной аварийного напряжения в цепи якорей электродвигателей, предназначенный для установки в цепь якорей тяговых двигателей второй группы двигателей,
- программируемым логический контроллер, соединенный с аналого-цифровым преобразователем, с которым соединены информационные выходы датчика напряжения и датчиков тока, в качестве которых использованы датчики Холла,
при этом программируемый логический контроллер выполнен с возможностью программного управления шаговым двигателем, обеспечивающим движение реостатного контроллера, используемого для изменения сопротивления цепи тяговых электродвигателей в процессе пуска, разгона и электродинамического торможения вагона.
Второй объект во втором заявляемом варианте практически совпадает с первым вариантом, и в нем использованы датчики Холла. Отличие состоит в том, что в нем отсутствует программируемый логический контроллер, соединенный с аналого-цифровым преобразователем. В этом варианте они относятся к третьему объекту (его второму варианту).
Третий объект полезной модели - система контроля тока тяговых электродвигателей в режиме динамического торможения - в своем первом варианте характеризуется тем, что содержит датчик тока, используемый для контроля за величиной тока тяговых электродвигателей в режиме динамического торможения вагона, предназначенный для установки в цепь динамического торможения тяговых электродвигателей, в качестве датчика тока использован датчик Холла, информационный выход которого подсоединен через аналого-цифровой преобразователь к программируемому логическому контроллеру, который выполнен с возможностью программного управления шаговым двигателем, обеспечивающим движение реостатного контроллера, используемого для изменения сопротивления цепи тяговых электродвигателей в процессе пуска, разгона и электродинамического торможения вагона.
Третий объект во втором варианте в целом совпадает с первым вариантом и использует датчик Холла. Отличие состоит в том, что в нем отсутствует программируемый логический контроллер, соединенный с аналого-цифровым преобразователем. В этом случае они относятся ко второму объекту (его второму варианту).
Для того, чтобы лучше продемонстрировать отличительные особенности полезной модели, в качестве примера, не имеющего какого-либо ограничительного характера, ниже описан предпочтительный вариант реализации применительно к вагонам метрополитена моделей 81-717, 81-714 и их модификаций.
Пример реализации иллюстрируется Фигурой чертежа, на которой представлена функциональная схема Системы управления тяговыми электродвигателями вагонов метрополитена (в ходовом режиме) и входящие в нее подсистемы (в ходовом режиме).
Первый датчик тока 1 (UA1) установлен последовательно с тяговыми электродвигателями 2, 3 первой группы двигателей, второй датчик тока 4 (UA2) установлен последовательно с тяговыми электродвигателями 5,6 второй группы двигателей. Датчики 1,4 предназначены для осуществления контроля номинальных и аварийных токов в этих группах.
Третий датчик тока 7 (UA3) включен в первый регулятор тока возбуждения 25 и предназначен для контроля за превышением максимально допустимого тока возбуждения тяговых электродвигателей.
Четвертый датчик тока 8 (UA4) установлен в цепь динамического торможения и предназначен для осуществления контроля за величиной тока тяговых электродвигателей в режиме динамического торможения вагона.
В качестве датчиков тока (позиции 1, 4, 7, 8) могут быть использованы датчики тока Холла, например LT500-T/SP93, производства ООО «ТВЕЛЕМ» г.Тверь.
Датчик напряжения 9 (UV1), например, LV100/SP84 того же производителя, установлен в цепь якорей тяговых двигателей (5, 6) и предназначен для осуществления контроля за величиной аварийного напряжения в цепи якорей этих двигателей.
Реостатный контроллер 10 предназначен для изменения сопротивления цепи тяговых электродвигателей в процессе пуска, разгона и электродинамического торможения вагона. Движение вала реостатного контроллера обеспечивается сервоприводом, в качестве которого используется шаговый двигатель 11 (СДРК), например FL110STH150, снабженный блоком управления 12 шаговым двигателем.
Параллельно каждому токоограничивающему резистору четырех блоков 13-16 резисторов подключен шунтирующий контакт, соответственно четырех блоков 17-20 контактов реостатного контроллера. Блок 16 резисторов включен параллельно с обмотками возбуждения 21, 22 (OBI и ОВЗ) тяговых электродвигателей 2, 3, блок 14 резисторов - параллельно паре обмоток 23, 24 (ОВ2 и ОВ4) тяговых электродвигателей 5, 6; соответственно блок 15 резисторов - последовательно обмоткам возбуждения 21, 22 (OBI и OB 2) тяговых электродвигателей 2, 3, а блок 13 резисторов - последовательно якорной цепи второй группы тяговых электродвигателей 5, 6.
Параллельно обмоткам возбуждения 23, 24 подключен первый регулятор 25 тока возбуждения, а параллельно обмоткам 21, 22 - второй регулятор 26 тока возбуждения. Регуляторы 25, 26 предназначены для импульсного регулирования среднего значения тока возбуждения тяговых электродвигателей в режиме динамического торможения. Регуляторы 25, 26 тока возбуждения являются элементами функциональной части общей системы управления - Системы контроля тока тяговых электродвигателей в режиме динамического торможения (третий объект полезной модели).
Третий датчик тока 7 подсоединен к первому регулятору тока 25 и осуществляет контроль тока в обмотках возбуждения 23, 24 тяговых электродвигателей 5, 6 в режиме динамического торможения.
Четвертый датчик тока 8 (UA4) установлен параллельно обмоткам возбуждения 21 и 22, и, соответственно, второму регулятору 26 тока возбуждения.
Информационные выходы датчиков тока 1, 4, 7, 8 и датчика напряжения 9 через АЦП 27 подсоединены к программируемому логическому контролеру 28, один выход которого подсоединен к блоку управления 12 шаговым двигателем реостатного контроллера 10, а второй - к устройствам поездной автоматики 29 вагона, предназначенным для автоматического регулирования скорости вагона и аварийных отключений силовой схемы вагона при неисправностях электрической схемы и аппаратов.
Цепь из последовательно соединенных: первого датчика тока 1; группы тяговых электродвигателей 2, 3; последовательно соединенных обмоток возбуждения 21, 22 этих двигателей; блоков 15 и 13 токоограничивающих резисторов; датчика тока 4; группы тяговых электродвигателей 5, 6; последовательно соединенных обмоток возбуждения 23, 24 этих двигателей -подсоединена к токоприемнику 30 и токоотводу 31.
Система защиты и контроля тяговых электродвигателей (второй объект полезной модели) включает в себя: первый датчик тока 1 (UA1), установленный последовательно группе тяговых электродвигателей 2, 3; второй датчик тока 4 (UA2), установленный последовательно группе тяговых электродвигателей 5, 6; третий датчик тока 7 (UA3), подсоединенный к первому регулятору 25 тока возбуждения и осуществляет контроль тока в обмотках возбуждения 23, 24 тяговых электродвигателей 5, 6 в режиме динамического торможения; датчик напряжения 9 (UV1) установленный в цепь якорей тяговых электродвигателей (5, 6) и предназначенный для осуществления контроля за величиной аварийного напряжения в цепи якорей этих двигателей. Эта система может быть реализована в отдельном (первом) блоке, заменяющем ящик ЯР-13 вагонов метрополитена.
Система контроля тока тяговых электродвигателей в режиме динамического торможения (третий объект полезной модели) включает в себя датчик тока 8 (UA4), установленный параллельно обмоткам возбуждения 21 и 22, и, соответственно, второму регулятору 26 тока возбуждения. Эта система может быть реализована во втором блоке, заменяющем ящик ЯР-27.
Общими устройствами для двух вышеописанных систем являются аналого-цифровой преобразователь 27 и программируемый логический контроллер 28. Поэтому при разделении общей системы управления на описанные выше подсистемы (второй и третий объект) возможны варианты реализации, когда аналого-цифровой преобразователь 27 и программируемый логический контроллер 28 смонтированы в первом или втором блоке (аналоге ЯР-13 или аналоге ЯР-27).
В ходовом режиме вагона система функционирует следующим образом:
Как описано выше, параллельно каждому токоограничивающему резистору четырех блоков 13-16 резисторов подключен шунтирующий контакт, соответственно четырех блоков 17-20 контактов реостатного контроллера. Под воздействием программно управляемого (блок управления 12) вал реостатного контроллера 10 начинает вращение и своими контактами шунтирует токоограничивающие резисторы, выводя их из якорной цепи и цепи возбуждения тяговых электродвигателей. Изменение силы тока фиксируется датчиками тока 1, 4, 7, их сигналы поступают на аналого-цифровой преобразователь 27, оцифровываются и поступают в программируемый логический контроллер 28. При превышении тока тяговых двигателей его номинального значения, величина фиксируется датчиками тока 1 и 4, обрабатывается центральным процессором программируемого логического контроллера 28 и сравнивается с программно заданной номинальной уставкой тока. При этом вырабатывается сигнал остановки шагового двигателя реостатного контроллера, и прерывается процесс увеличения тока в силовой цепи. В процессе разгона тяговых двигателей величина тока уменьшается. Датчики тока 1 и 4 фиксируют уменьшение величины тока в цепи тяговых электродвигателей. Сигнал обрабатывается центральным процессором программируемого логического контроллера и при снижении текущего значения до величины уставки, заданной программой, вырабатывается команда на включение шагового двигателя 11, которая поступает на блок управления 12 шаговым двигателем и процесс разгона продолжается.
При возникновении неисправностей и короткого замыкания в цепи тяговых электродвигателей датчики тока 1, 4, 7 и датчик напряжения 9, фиксируют аварийные значения токов и напряжения. Соответствующие сигналы с этих датчиков Холла обрабатываются программируемым логическим контроллером 28. сравниваются со значениями программных аварийных уставок и вырабатываются управляющие воздействия на устройства поездной автоматики 29. которые производят аварийное выключение силовой схемы вагона.
В режиме динамического торможения контроль за величиной тока осуществляется датчиком тока 8. Сигналы датчика 8 обрабатываются центральным процессором программируемого логического контроллера 28, который формирует управляющее воздействие на устройства поездной автоматики 29 с учетом программных уставок.
Таким образом, в полезной модели изменена принципиальная схема, и электромагнитные реле заменены на датчики Холла. Это позволило использовать программно управляемый шаговый двигатель для формирования закона движения вала реостатного контроллера по сигналам обратной связи, формируемым датчиками. Замена электродвигателя с редуктором на шаговый двигатель повышает точность позиционирования вала контроллера, а также точность и надежность управления тяговыми электродвигателями.