Стенд для моделирования динамических процессов в тяговом приводе локомотива с электропередачей

Полезная модель относится к области транспортного машиностроения и может быть использована для исследования динамических процессов в тяговом приводе.
Известен стенд для моделирования динамических процессов в тяговом приводе локомотива с электропередачей, содержащий, по крайней мере один электродвигатель, характеристика которого аналогична характеристике тягового электродвигателя локомотива, а вал якоря фрикционно связан с установленным в подшипниковых опорах валом, несущим маховик, имитирующий массу поезда, и электрическую нагрузочную машину, имитирующую тяговою нагрузку, вал якоря которой связан с упомянутым валом, несущим маховик (Авторское свидетельство СССР №677786, кл. G01M 17/00, 1944).
Недостатком указанного стенда является то, что на нем невозможно имитировать процессы боксования автоколебаний, возникающих в тяговом приводе локомотива при его совместной работе с колесными парами.
Известен стенд для моделирования динамических процессов в тяговом приводе локомотива с электропередачей, содержащий дизель-генераторную установку, электрически связанную с двигателем колесной пары, ось которой посредством цилиндрического редуктора связана с выходным валом тягового электродвигателя, катки, каждый из которых связан с соответствующим колесом колесной пары, смонтированный на оси катков маховик, имитирующий массу поезда, и электрическую нагрузочную машину, имитирующую тяговую нагрузку (Челноков Н.Н., и др. Стенды для испытаний подвижного состава железных дорог. М, НИИ Информтяжмаш, 1966, 11-66-4, с. 19).
Недостатком данного стенда является то, что он не в полной мере воспроизводит эксплуатационные условия, в частности, не обеспечивает проскальзывание и потери сцепления одним из колес колесной пары и не позволяет получить режимы автоколебаний в тяговом приводе.
Известен стенд для моделирования динамических процессов в тяговом приводе локомотива с электропередачей, содержащей по крайней мере один электродвигатель, характеристика которого аналогична характеристике тягового электродвигателя локомотива, а вал якоря электродвигателя фрикционно связан с валом, несущим маховик, имитирующим массу поезда, посредством колесной пары с колесами различных диаметров, и электрическую нагрузочную машину, имитирующую тяговую нагрузку, вал якоря которой связан с упомянутым валом, несущим маховик (Авторское свидетельство СССР №712726, кл. G01M 17/00, 1978, опубл. Б.Н, - 30.01.80 №4).
Недостатком указанного стенда является то, что он не в полной мере воспроизводит эксплуатационные условия, то есть не обеспечивает в процессе работы изменение момента сопротивления движению при трогании с места и движению с малыми скоростями на подъеме, где наиболее часто происходят процессы боксования и автоколебаний в тяговом привод.
В качестве прототипа предлагаемой полезной модели выбран стенд для моделирования динамических процессов в тяговом приводе локомотива с электропередачей, содержащий дизель-генераторную установку с преобразователем частоты, электродвигатель, характеристика которого аналогична характеристике тягового электродвигателя локомотива, вал якоря которого фрикционно связан с валом, несущим маховик, имитирующим массу поезда, посредством колесной пары с колесами различных диаметров, электрическую нагрузочную машину, вал якоря которой связан с валом, несущим маховик, который снабжен лентой из фрикционного материала, охватывающей внешнюю поверхность маховика, связанную с якорем электромагнита нагружающего устройства, управление которым осуществляется системой, состоящей из датчиков моментов электродвигателя и сопротивления, сравнивающего устройства, исполнительного устройства, переключателя, задатчика времени, источника тока, токовой уставки, датчика вращения (Патент РФ №2550105, опубл. 10.05.2015, бюл. №13).
Недостатком указанного стенда является то, что он не в полной мере воспроизводит эксплуатационные условия, то есть не обеспечивает возможность исследовать электромеханические процессы в тяговом приводе в режиме электрического торможения подвижного состава.
Задача полезной модели - расширение функциональных возможностей стенда и приближения условий моделирования к эксплуатационным. Эта цель достигается путем обеспечения электрического способа торможения тягового электропривода локомотива.
Существенное отличительные признаки предлагаемой полезной модели от прототипа заключатся в конструкции стенда и его отдельных элементов. В предлагаемой полезной модели по сравнению с прототипом преобразователь частоты, состоит из: неуправляемого выпрямителя, звена постоянного тока, переключателя, автономного инвертора напряжения, датчика синхронной частоты вращения асинхронного двигателя, устройства управления переключателем, причем переключатель подключен к блоку тормозных реостатов.
На фиг. 1 представлена принципиальная схема стенда для моделирования динамических процессов в тяговом приводе локомотивов с электропередачей; на фиг. 2 - блок-схема управления стендом для создания необходимого момента сопротивления Мс; на фиг. 3 изображена принципиальная схема подключения преобразователя частоты и блока тормозных реостатов; на фиг. 4 - механические характеристики тягового электродвигателя в двигательном и тормозном режимах.
Стенд состоит из дизель-генераторной установки 1, управляемой дистанционно от контроллера машиниста 2, имеет преобразователь частоты 3, состоящий из (фиг. 3) неуправляемого выпрямителя 4, на вход которого поступает переменное напряжение от дизель-генераторной установки 1, выход неуправляемого выпрямителя 4 подключен ко входу звена постоянного тока 5, выход которого подключен ко входу автономного инвертора напряжения 8, выход которого подключен к обмотке статора электродвигателя 12, переключателя 6, один выход которого подключен к звену постоянного тока 5, а другой выход подключен к первому выходу блока тормозных реостатов 7, второй выход которого подключен к звену постоянного тока 5, устройства управления переключателем 9, подключенное к переключателю 6, датчика синхронной частоты вращения 11, подключенного к устройству управления переключателем 9 (фиг. 1).
Переменное напряжение с автономного инвертора напряжения 8 поступает на асинхронный электродвигатель 12, ротор которого через тяговый редуктор 13 связан с колесной парой 14. Колесная пара 14 посредством колес 15 и 16 опирается на каток 17, связанный валом с маховиком 18, имитирующим массу поезда, и нагрузочной машины 19. Нажимное устройство 20 имитирует сцепной вес испытуемого тягового привода (фиг. 1).
Маховик 18 охвачен фрикционной лентой 21, нижний конец которой соединен с неподвижной шарнирной опорой 24, а верхний конец ленты 21 соединен с входным концом якоря 22 электромагнита 23. Выходной конец якоря 22 связан с возвратной пружиной 25.
1
При исследовании работы электропривода локомотива в двигательном режиме (достижение определенной частоты вращения электродвигателя w) стенд работает следующим образом.
Электродвигатель 12 получает питание от дизель-генераторной установки 1 через преобразователь частоты 3 и начинает вращать маховик 18. На сравнивающее устройство 28 поступает сигнал от датчика 26 момента электродвигателя М∂ и датчика 27 момента сопротивления Мс, определяемого моментами инерции редуктора 13, колесной пары 14, маховика 18 и якоря нагрузочной машины 19 (фиг. 1).
В момент равенства этих сигналов, что соответствует равновесному режиму движения (М∂=Мс), на исполнительное устройство 29 поступают сигналы от сравнивающего устройства 28 и задатчика момента сопротивления Мз 30, соответствующего заданному значению подъема профиля пути (фиг. 2).
Сигнал с исполнительного устройства 29 поступает через переключатель 31 на источник тока 33, подающий питание на электромагнит 23 нагружающего устройства. Длительность прохождения сигнала через переключатель 31 регулируется временной уставкой Т, реализуемой задатчиком времени 32. Якорь 22 электромагнита 23, связанный с фрикционной лентой 21, перемещаясь, прижимает ленту 21 к маховику 18, увеличивая момент сопротивления вращению, соответствующий заданному подъему профиля пути (фиг. 2).
Величина тока, проходящего через обмотку электромагнита 23, а следовательно, и сила натяжения ленты (момент сопротивления вращению) задается токовой уставкой 34, сигнал от которой поступает на источник тока 33 (фиг. 2).
Датчик вращения 10 необходим для фиксации и регистрации частоты вращения, а также для контроля частоты вращения, при которой возникает режим боксования. После проведения эксперимента источник 33 отключается и возвратная пружина 25 переводит фрикционную ленту 20 в исходное положение. Изменение момента сопротивления вращения маховика 17 приводит к изменению режима работы привода, возможности появления срыва сцепления колес с катком 16, имитирующим рельс, возникновению боксования.
1
2
1
2
Генераторный режим работы асинхронного двигателя возникает при превышении частоты вращения ротора асинхронного двигателя синхронной частоты вращения. При исследовании работы электропривода в режиме электрического торможения, т.е. при переходе электродвигателя с частоты вращения w на частоту вращения w, причем w>w (при переходе электродвигателя из двигательного режима в генераторный режим), стенд работает следующим образом. При равенстве сигналов от датчика 26 момента электродвигателя М∂ и датчика 27 момента сопротивления Мс, что соответствует равновесному режиму движения (М∂=Мс), задание на частоту вращения электродвигателя 12 уменьшается до необходимого значения. Момент двигателя М∂ при этом уменьшается и меняет свой знак, переводя электродвигатель 12 в генераторный режим (фиг. 4).
2
yпp.
yпp.
yпp.
yпp.
yпp.
yпp.
После завершения процесса торможения электродвигатель работает с частотой вращения w и моментом сопротивления Мс, что соответствует точке Е на механической характеристике электродвигателя (фиг. 4). Участок АВ кривой ABCDE соответствует двигательному режиму работы, участок BCD -генераторному (режиму электрического торможения), DE - двигательному (фиг. 4). В генераторном режиме электродвигатель 12 преобразует механическую энергию вращения вала в электрическую энергию, которая передается из обмотки статора электродвигателя 12 через автономный инвертор напряжения 8 в звено постоянного тока 5, вызывая повышение напряжения в нем. Выходной сигнал с датчика синхронной частоты вращения асинхронного двигателя 11 поступает на устройство управления переключателем 9, где сравнивается с сигналом датчика вращения 10. Устройство управления переключателем 9, сравнивает значения сигналов с датчика синхронной частоты вращения асинхронного двигателя 11 и датчика вращения 10 и формирует сигнал управления U переключателем 6. Если синхронная частота вращения (измеряемая датчиком синхронной частоты вращения асинхронного двигателя 11) больше частоты вращения ротора (измеряемой датчиком вращения 10) устройство управления переключателем 9 формирует сигнал управления U=0, а если синхронная частота вращения меньше или равна частоте вращения ротора, то устройство управления переключателем формирует сигнал управления U=l. Сигнал управления U=0 означает, что переключатель 6 разомкнут. Сигнал управления U=l означает, что переключатель 6 замкнут, подключая тем самым к звену постоянного тока 5 блок тормозных реостатов 7. Таким образом, создается цепь для разряда звена постоянного тока 5 на блок тормозных реостатов 7, что приводит к уменьшению напряжения в звене постоянного тока 5. Ток, протекая через блок тормозных реостатов 7, преобразует электрическую энергию торможения в тепловую и вызывает нагрев блока тормозных реостатов 7. При достижении конечной частоты вращения w2 момент электродвигателя М∂ снова равняется моменту сопротивления Мс, синхронная частота вращения становится больше частоты вращения ротора и электродвигатель 12 возвращается в двигательный режим работы. Устройство управления переключателем 9 формирует сигнал управления U=0, переводя переключатель 6 в разомкнутое положение, тем самым отключая блок тормозных реостатов 7 и размыкая контур протекания тока.
Датчик вращения 10 в режиме электрического торможения необходим для фиксации и регистрации частоты вращения.
Изменяя скорость имитируемого железнодорожного состава, появляется возможность исследовать эффективность электрического торможения привода локомотива на разных скоростях.
Технический результат заключается в экономии времени и материальных расходов по сравнению с натурными испытаниями при определении процессов, возникающих в тяговом приводе при использовании электрического торможения и режимов боксования и автоколебаний привода.