Содержание к диссертации
Введение
1. Обзор существующих систем электрического торможения ЭПС постоянного тока 9
1.1. Системы рекуперативного торможения отечественных грузовых электровозов 10
1.2. Реостатное торможение пассажирских электровозов чехословацкого производства 18
1.3. Применение импульсного регулирования в системах электрического торможения высокоскоростного ЭПС 25
1.4. Особенности электрического торможения вагонов метрополитена 30
1.5. Электрическое торможение ЭПС постоянного тока зарубежных железных дорог. 35
2. Анализ системы рекуперативно-реостатного торможения электропоездов ЭР2Т и ЭД2Т 41
2.1. Применение рекуперативно - реостатного торможения 41
2.2. Электрическое торможение электропоездов ЭР2Т и ЭД2Т на высоких скоростях 43
2.3. Работа системы электрического торможения в области средних и низких скоростей 55
3. Система электрического торможения электропоезда постоянного тока до полной остановки 68
3.1. Возможность реализации остановочного электрического торможения 68
3.2. Система бортового электроснабжения электропоездов ЭР2Т и ЭД2Т 75
3.3. Система остановочного электрического торможения
4. Характеристики и показатели системы остановочного электрического торможения 97
4.1. Математическое моделирование электромеханических процессов в системе остановочного электрического торможения 97
4.2. Характеристики системы остановочного электрического торможения... 107
4.3. Сравнение систем электрического торможения для электропоезда постоянного тока 129
4.4. Экономическая эффективность применения остановочного электрического торможения 136
Заключение 141
Список литературы
- Применение импульсного регулирования в системах электрического торможения высокоскоростного ЭПС
- Электрическое торможение электропоездов ЭР2Т и ЭД2Т на высоких скоростях
- Система бортового электроснабжения электропоездов ЭР2Т и ЭД2Т
- Сравнение систем электрического торможения для электропоезда постоянного тока
Применение импульсного регулирования в системах электрического торможения высокоскоростного ЭПС
Начало применения рекуперативного торможения на грузовых электровозах постоянного тока относится к послевоенному времени. На электровозах серии ВЛ22М система электрического торможения основывалась на схеме с так называемыми стабилизирующими резисторами, которые были необходимы для обеспечения требуемой жесткости тормозных характеристик [4]. Известно, что генераторы последовательного возбуждения непригодны для рекуперации, так как при работе на сеть неизменного напряжения они электрически неустойчивы. В связи с этим для рекуперации используют независимое возбуждение тяговых двигателей с падающими жесткими тормозными характеристиками, при этом скорость почти не изменяется с изменением нагрузки. Жесткие характеристики машин независимого возбуждения обуславливают основные особенности этих машин, как благоприятные, так и неблагоприятные для работы в рекуперативном режиме.
Положительные свойства жестких рекуперативных характеристик заключаются, в первую очередь, в лучших условиях использования сцепления, при котором уменьшается опасность юза и облегчается восстановление нормального сцепления после начавшегося скольжения. Благоприятны жесткие тормозные характеристики в условиях магистральной тяги при торможении на затяжных спусках они устойчивы механически и при них жестко поддерживается неизменная скорость на спуске.
Основными недостатками машин с жесткими характеристиками является чувствительность к колебаниям напряжения в контактной сети и плохое распределение нагрузок между параллельно работающими машинами.
При использовании жестких характеристик для рекуперативного торможения должны быть приняты меры к полному или хотя - бы частичному устранению их недостатков. На первых отечественных электровозах с электрическим торможением для этой цели использовались стабилизирующие резисторы, которые являлись общими для цепей якоря и возбуждения. В такой системе при увеличении тока якоря ток возбуждения уменьшается и наоборот. Чем больше сопротивление стабилизирующего резистора, тем сильнее проявляется эта зависимость и тем менее проявляется жесткость характеристики скорости от тока и(1), обеспечивая меньшую чувствительность системы к колебаниям напряжения в контактной сети.
При использовании стабилизирующих резисторов в рекуперативном режиме необходимо иметь возбудитель - устройство, питающее обмотки возбуждения, которое может быть как электромашинным, так и статическим [4,23]. В случае использования электромашинного возбудителя его мощность значительно превосходит мощность, необходимую непосредственно для питания обмоток возбуждения (на электровозе ВЛ22М в 2,5 раза), кроме того в них теряется и некоторая часть энергии, вырабатываемой двигателями в генераторном режиме, что уменьшает отдачу энергии в сеть. Следует отметить, что в такой системе ограничивается область применения рекуперативного торможения и уменьшается максимальная тормозная сила. Связано это с тем, что при увеличении скорости движения ток якоря из-за увеличения ЭДС двигателя возрастает, следовательно уменьшаются ток возбуждения и магнитный поток. Следовательно тор 12 мозная сила будет возрастать лишь до определенного максимума, наступающего при некоторой критической скорости.
Большая часть вышеперечисленных недостатков устраняются применением схемы рекуперации с возбудителями встречного смешанного возбуждения, примененной на электровозах серий ВЛ8, ВЛ10, ВЛ11 [4,5]. Принцип работы такой системы становится ясным из рис. 1.1. Здесь применен возбудитель В с двумя обмотками возбуждения: независимой НО и встречной ВО. Через обмотку ВО протекает ток якоря тягового двигателя 1а. Во время рекуперации магнитодвижущая сила (МДС) обмотки ВО направлена навстречу МДС обмотки НО. По мере увеличения тока рекуперации 1а электродвижущая сила (ЭДС) Ев возбудителя, а следовательно, и ток возбуждения 1е уменьшаются. При уменьшении тока / ЭДС Ев и ток 1в увеличиваются. Следовательно, использование обмотки ВО возбудителя компенсирует изменения тока и тормозной силы при изменениях напряжения в контактной сети.
Форма рекуперативных характеристик при возбудителе встречного смешанного возбуждения будет иной, чем в схеме с возбудителем независимого возбуждения и стабилизирующими резисторами. Требуемая крутизна характеристик рекуперативного торможения по схеме рис. 1.1 достигается изменением соотношения МДС обмоток возбуждения возбудителя при заданном токе іцв-Чем больше отношение ІаМво/інвМно, тем больше влияние тока якоря на ЭДС возбудителя Ев и тем круче характеристики и(1). Однако одновременно уменьшается максимальное значение тормозного усилия ВМАХ В схемах со стабилизирующими резисторами в каждой параллельной цепи токи возбуждения определяются только токами якорной цепи. Поэтому, возможно, и отклонения токов в цепи якорей будут частично компенсированы отклонениями токов возбуждения. При одном возбудителе встречного смешанного возбуждения на локомотивах с двумя и большим числом параллельных цепей тяговых двигателей не может быть обеспечено удовлетворительное распределение токов по этим цепям.
Электрическое торможение электропоездов ЭР2Т и ЭД2Т на высоких скоростях
Рекуперативное торможение может устойчиво функционировать лишь при независимом возбуждении тяговых двигателей, для чего необходим возбудитель. Его мощность ограничена и ее увеличение ведет к ухудшению массо -габаритных показателей такого устройства. Максимальная токовая нагрузка возбудителя близка к зоне насыщения кривой намагничивания, а ее предельное значение меньше критического тока возбуждения.
Эти два ограничения лежат в самой сути электрического торможения, но существуют также косвенные причины, по которым может быть ограничено применение рекуперативного торможения.
Так, например, использование рекуперации возможно только при потреблении этой энергии другими электровозами или электропоездами на том же фидерном участке и определенным напряжением в контактной сети. Выходом из этой ситуации может служить оборудование тяговых подстанций инверторами, которые позволят передавать рекуперируемую энергию в первичную сеть. К сожалению, подавляющее большинство электрифицированных участков таких тяговых подстанций не имеет.
Анализ системы рекуперативного торможения электровоза ВЛ10 показывает, что одним из способов расширения зоны действия рекуперации может служить использование нескольких группировок тяговых двигателей. Однако, на электропоездах при автоматическом управлении переключение двигателей с параллельного на последовательное соединение в генераторном режиме вызывает существенные трудности. Заключаются оно в том, что при перегруппировке тяговых двигателей происходит кратковременное снижение тока и тормозной силы, что крайне нежелательно в режиме торможения. Поэтому на электровозе ВЛ10 нельзя быстро снизить скорость в широком диапазоне - в начале нужно использовать параллельное соединение тяговых двигателей, затем, достигнув минимальной скорости этого соединения, перейти на последовательно -параллельное соединение, повторить процесс регулирования и так далее. Для электропоездов характерно быстрое замедление, поэтому все переключения групп тяговых двигателей для них в тормозном режиме нежелательны [26].
С другой стороны, использование одной группировки при двигателях обычного исполнения привело бы к значительному сужению области эффективного использования рекуперативного торможения. Действительно, если применять только параллельное соединение двигателей, то рекуперативное торможение закончится при относительно высокой скорости. Если же использовать только последовательное соединение, то тормозная сила в области высокой скорости существенно снижается из-за высокого значения ЭДС двигателя, что требует ослабления возбуждения.
Диапазон скорости, в котором эффективно рекуперативное торможение, можно значительно расширить при одной группировке, если использовать двигатели, специально рассчитанные на глубокое ослабление возбуждения. Для повышения коммутационной стойкости двигателей в режиме электрического торможения, надежности работы коллекторов щеточного аппарата напряжение на коллекторе целесообразно ограничить значением 750 В, что при напряжении сети 3000 В предопределило на электропоездах с электрическим торможением постоянное последовательное соединение четырех тяговых двигателей [27].
Система рекуперативно - реостатного торможения электропоездов постоянного тока ЭР2Т и ЭД2Т позволяет реализовать тормозное усилие в широком диапазоне скоростей. Функционирует она следующим образом. [16,18]. При установке машинистом рукоятки контроллера в одно из тормозных положений собирается тормозная схема в следующей последовательности. Вал силового реостатного контроллера (РК) возвращается на первую позицию. Тормозной переключатель переводится в положение, соответствующее тормозному режиму. Обмотки возбуждения тяговых двигателей выключаются из цепи своих якорей и через контактор ОВ присоединяются к тиристорному преобразователю ТП (тиристорный выпрямительный мост с естественной коммутацией, питающийся от трехфазного синхронного генератора). Далее на электропоездах ЭР2Т без прямого входа в рекуперацию включаются контакторы ЛКТ и Т, создавая контур тормозного тока: заземляющее устройство ЗУ на оси колесной пары, контактор защиты КЗ, контактор ТП7, индуктивный шунт ИШ, якоря двигателей 1-4, контактор ЛКТ, тормозные резисторы R4-R8, контактор Т, резисторы Rl 1-R15 (рис.2.1). Система автоматического управления торможением (САУТ) начинает выдавать управляющие импульсы на тиристоры преобразователя. Силовые цепи электропоезда начинают работать в режиме реостатного торможения с независимым возбуждением. При этом ток возбуждения протекает по цепи: "плюс" тиристорного преобразователя ТП, контактор ОВ, обмотки возбуждения 1-4, контактор КЗ, "минус" тиристорного преобразователя ТП. ЭДС двигателей, работающих в генераторном режиме возрастает вследствие увеличения тока возбуждения. При достижении ЭДС якорей тяговых двигателей уровня напряжения контактной сети, срабатывает реле баланса напряжений (РБН) электронного блока БЭР и включает линейный контактор ЛК, а затем с выдержкой времени выключается контактор Т. В этот промежуток времени действуют два вида торможения: реостатное с независимым возбуждением и рекуперативное с независимым возбуждением (рис 2.2). После отключения контактора Т остается собранной лишь цепь рекуперативного торможения, которое может действовать только при напряжении в контактной сети менее 3750 В.
Система бортового электроснабжения электропоездов ЭР2Т и ЭД2Т
Для защиты от коротких замыканий в режимах электрического торможения в цепь якорей тяговых двигателей включен быстродействующий контактор защиты КЗ. Он отключается при резком возрастании тока в этой цепи. Схема защиты выполнена так, что при рекуперативном и реостатном торможениях с независимым возбуждением через этот контактор протекает суммарный ток якорей и возбуждения двигателя. Такое включение применяется для того, чтобы как можно быстрее снизить напряжение на якорях двигателей, работающих в генераторном режиме, так как при этом в случае возникновения короткого замыкания из-за резкого повышения якорного тока ток возбуждения также повышается. Увеличение тока возбуждения на высоких скоростях движения может привести к значительному росту ЭДС двигателя, ухудшая и без того критический режим его работы.
Отключение контактора КЗ при возникновении коротких замыканий приводит к тому, что разрывается не только якорная цепь, но и цепь возбуждения с нормальным для режима электрического торможения направлением тока возбуждения. С этого момента создается другая цепь его прохождения и через обмотки возбуждения протекает ток, направление которого противоположно направлению тока возбуждения в режимах электрического торможения с независимым возбуждением. Это вызывает интенсивное размагничивание двигателей и снижение напряжения на их якорях [19,20].
Аналогично происходит защита силовой цепи и при реостатном торможении с самовозбуждением, где ток возбуждения составляет часть тока якоря, а через контактор КЗ протекает общий ток двигателя.
Анализ работы системы электрического торможения электропоездов ЭР2Т и ЭД2Т можно сделать вывод о присущих ей следующих недостатках.
Необходимость перехода с электрического торможения на электропневматическое на низких скоростях движения обуславливает механическое истирание тормозных колодок и бандажей колесных пар, что определяет свою долю в общем уровне эксплуатационных расходов. 2. Переход с электрического торможения на электропневматическое сопровождается повышенными продольными динамическими усилиями, ухудшающими комфортность поездки пассажиров и работу оборудования электропоезда, Причина возникновения этих усилий кроется в неравенстве тормозных сил, реализуемых моторными и прицепными вагонами в момент перехода с электрического торможения на механическое [53]. В этот промежуток времени уменьшающаяся тормозная сила электрического торможения должна быть скомпенсирована увеличивающейся тормозной силой электропневматического торможения. Последняя прикладывается к колесным парам не мгновенно, время ее нарастания определяется временем наполнения тормозных цилиндров моторных и прицепных вагонов. После наполнения тормозных цилиндров сжатым воздухом на моторных вагонах действуют и электрическое торможение и электропневматическое, а на прицепных только механическое. Все это приводит к тому, что тормозные усилия моторных и прицепных вагонов не равны и их разница обуславливает знакопеременные продольные усилия, ухудшающие плавность хода электропоезда.
Эти недостатки могут быть устранены применением перспективной системы электрического торможения, позволяющей обеспечить необходимое замедление электрического тормоза до полной остановки электропоезда.
Основной причиной невозможности торможения до полной остановки в системах электрического торможения ЭПС является недостаточное значение ЭДС тягового двигателя, работающего в генераторном режиме, для создания необходимого тормозного тока и, следовательно, замедления. Связано это с тем, что, например, в системах электрического торможения с независимым возбуждением уменьшающаяся за счет снижения скорости ЭДС двигателя компенсируется увеличением тока возбуждения, то есть магнитного потока. Увеличение тока возбуждения возможно лишь до определенного значения, определяемого насыщением магнитопровода тяговой машины и мощностью возбудителя. Поэтому снижение скорости при постоянном максимальном токе возбуждения приводит к снижению величины ЭДС двигателя.
Еще одна причина невозможности использования традиционных видов электрического торможения для полной остановки обусловлена наличием сопротивления в цепи якоря тягового двигателя. Из формулы (2.3) ясно, что числитель дроби никогда не может быть равен нулю, следовательно скорость движения также всегда будет отличной от нуля. Этот фактор характерен для всех систем электрического торможения, но его решающее действие проявляется в системах реостатного торможения с самовозбуждением. В них при соответствующих значениях тормозного резистора возможно регулирование скорости до достаточно низкого значения, однако полная остановка невозможна и для фиксации данного типа ЭПС необходимо применение пневматического колодочного тормоза.
Реализация электрического торможения до полной остановки основана на возможности поддержания достаточного тормозного тока и требуемого замедления на низких скоростях. Для этого можно использовать так называемое реверсивное торможение или другое название - торможение противовключени ем [3]. Такое торможение достигается путем изменения направления тока обмотки возбуждения или обмотки якоря двигателя на обратное направлению тока в тяговом режиме. Принцип действия такого торможения приведен на рис.3.1, на котором показано включение якоря двигателя через резистор RT на сеть, причем обмотка возбуждения реверсирована по сравнению с тяговым режимом. При этом двигатель переходит в генераторный режим, причем его ЭДС складывается с напряжением сети. Таким образом, в данной схеме тяговый двигатель можно рассматривать как генератор, включенный последовательно с сетью и работающий на тормозной резистор.
Сравнение систем электрического торможения для электропоезда постоянного тока
Полученная сумма, являющаяся равнодействующей сил 7 д, действующих на поезд, поступает на вход апериодического звена, которое выполняет роль интегратора. С выхода апериодического звена снимается аналоговый сигнал, представляющий собой скорость движения и, которая дает возможность определения силы сопротивления движению и ЭДС вращения тягового двигателя Е, равной произведению магнитного потока и скорости.
Таким образом, выводная информация программного комплекса "ЭЛ-ТРАН" состоит не только из массива данных, характеризующих изменения токов и напряжений в силовой цепи электропоезда, но и из данных, описывающих параметры движения, таких как скорость, ускорение (в данном случае замедление) и другие. Не представляет особой сложности изменять в программе параметры тягового привода - массу, инерцию вращающихся частей, диаметр бандажа колесных пар и другие. Следовательно имеется возможность исследования работы системы электрического торможения в различных режимах на-гружения, износа и так далее.
Листинг программы моделирования электромеханических процессов в силовой схеме электропоезда ЭД2Т с использованием программного комплекса "ЭЛТРАН" представлен в приложении 5.
Моделирование системы автоматического управления электропоезда вызвало наибольшие трудности во всем процессе работы с программным комплексом "ЭЛТРАН". Объясняется это тем, что моделирование отдельного функционального элемента САУ требует применения нескольких отдельных элементов "ЭЛТРАН", каждый из которых должен быть описан в программе.
Для примера рассмотрим модель РК. В реальности реле ускорения этого устройства настроено на одну из уставок и при снижении якорного тока ниже значения уставки выдается управляющий сигнал на электропневматические вентили привода контроллера и он поворачивается на следующую позицию. В модели РК для имитации принципа его работы пришлось использовать большое число аналоговых и цифровых элементов программного комплекса "ЭЛ-ТРАН". Фрагмент модели системы автоматического управления режимом торможения электропоезда, описывающий работу РК представлен на рис.4.3.
Управление силовыми контакторами РК производится посредством элемента комплекса "автомат ключ силовой" (АКС), на управляющий сигнал которого подается цифровой сигнал с логической системы, состоящей из элементов "И" (AND), простых триггеров (ТР) и производящей перемножение логических сигналов с выходов кольцевых счетчиков (КС). Сигнал на первый счетчик поступает с прямого выхода счетного триггера (ТС), на второй счетчик - с инверсного выхода этого триггера. Импульс, переводящий счетный триггер из одного состояния в другое поступает с компаратора (KMDIR), настроенного на определенную уставку через логический фильтр.
Таким образом, в режиме электрического торможения после окончания рекуперации или реостатного торможения с независимым возбуждением при снижении тока ниже уставки в элементе LA, представляющим обмотку якоря тягового двигателя, происходит последовательное замыкание ключевых элементов К1-К13, имитируя вывод реальных секций пуско - тормозных резисторов. Контакторные элементы К10-К13 замыкаются в режиме электрического дотормаживания, когда действует торможение противовключением.
В связи с тем, что САУТ непосредственно обеспечивает управление процессом электрического дотормаживания, его моделированию было уделено большое внимание. В пункте 3.2 была показана структура этого электронного блока. В модели не было необходимости использовать непосредственно силовую схему трехфазного выпрямителя на тиристорах Тт1-Тт6, примененного в реальной схеме электросекции и его систему управления. Связано это с тем, что такое моделирование существенно усложнило бы программу не давая, однако, ничего нового в изучении достаточно хорошо известных процессов в трехфазных выпрямителях. КР1 "1" ANDT
Используя такой элемент программного комплекса "ЭЛТРАН" как "зависимый источник ЭДС" нетрудно осуществить моделирование управляемого выпрямителя с регулятором любого типа. Для "зависимого источника" ЭДС характерно то, что напряжение на его выходе определяется управляющим воздействием, поступающим на вход этого источника с генератора такого воздействия. В САУТ электропоездов ЭР2Т и ЭД2Т применен пропорционально - интегрирующий регулятор (ПИ - регулятор), который оказывает на исполнительный элемент (в данном случае - зависимый источник ЭДС) воздействие, пропорциональное рассогласованию и интегралу от рассогласования
В переходном режиме ПИ - регулятор ведет себя как усилительное звено, а в установившемся режиме он придает системе автоматического регулирования (САР) астатизм 1-го порядка [34]. Структурная схема САР с ПИ - регулятором представлена на рис.4.4. Из него видно, что для моделирования ПИ - регулятора необходим элемент сравнения, в качестве которого используется усилитель YCR1 с отрицательным единичным коэффициентом усиления по второму входу (К2=-1), апериодическое звено - интегратор с передаточной функ цией W(p) = и сумматор в виде усилителя YCR2 с положительными ко Тр эффициентами усиления по обоим входам. Необходимое качество регулирования достигается корректировкой значений коэффициента усиления усилительного звена KU и постоянной интегрирования интегрирующего звена Т. Управляющее воздействие ц. является выходным напряжением источника ЭДС ЕВ.
