Проектирование систем управления электрическим подвижным составом переменного тока

 

1.2.5 Расчет нагрузочной характеристики тягового двигателя СVФ = f (IВ)

 

Нагрузочную характеристику (кривую намагничивания) тягового двигателя в расчетах более удобно представлять в виде зависимости СVФ от тока возбуждения IВ.

ЭДС определяют из выражения

 

Е = СV Ф · V,                                                (1.9)

отсюда

СV Ф = Е / V,                                              (1.10)

 

где Е – ЭДС двигателя, В; V – скорость движения поезда, км/ч.

 

Произведение конструктивной постоянной СV на магнитный поток Ф называется удельной ЭДС.

Значение СVФН в номинальном режиме получают из уравнения

 

UДН = СV ФН·VН + IН S rД,                                  (1.11)

отсюда

,                                    (1.12)

.

 

Зависимость СVФ = f(IВ) определяется конструктивными особенностями тяговых двигателей электровозов.

 

СVФ = 1,2 СVФН (1 – е-1,8Iв/Iвн),    (1.13)

 

где IВН – ток возбуждения двигателя в номинальном режиме.

 

При нормальном возбуждении (полное поле) ток двигателя IН и ток возбуждения IВН связаны соотношением

 

               IВН = b0 · IН,      (1.14)

 

IВН = 0,96 · 903,54 = 867,39 А.

 

Из формулы (1.12) получают

 

 СVФ/СVФН =1,2 (1 – е-1,8Iв/Iвн),                                      (1.15)

 

Точки зависимости, рассчитанные по формуле (1.15), приведены в таблице 7.

 

Таблица 7 – Универсальная нагрузочная характеристика

 

IВ/IВН	0,25	0,5	0,75	1,0	1,25	1,5	1,75
СVФ/СVФН	0,435	0,712	0,889	1,0	1,07	1,12	1,15

 

Значение СVФ и IВ нагрузочной характеристики СVФ = f (IВ) получается путем умножения относительных величин СVФ/СVФН и IВ/IВН на соответствующие  номинальные значения СVФН и IВН. Расчеты записываются в таблицу 8.

Таблица 8 – Нагрузочные характеристики тягового двигателя СVФ = f(IВ) в номинальном режиме при I = IН

 

 

 

 

 

	4,22	6,906	8,623	9,7	10,379	10,864	11,155
	216,848	433,695	650,543	867,39	1084,238	1301,085	1517,933

 

По данным таблицы 8 строится нагрузочная характеристика СVФ = f(IВ) (рисунок 2).

Рисунок 2 – Нагрузочная характеристика двигателя

 СVФ = f(IВ) в номинальном режиме

 

1.2.6 Расчет силы тяги тягового двигателя FКД1 при трогании на первой позиции электровоза

 

Для построения пусковой диаграммы по ступеням регулирования (позициям) на скоростных характеристиках электровоза V = f (I) в дальнейших расчетах необходимо знать допустимое значение силы тяги двигателя при трогании на первой позиции FКД1.

  ,                    (1.16)

где  2П – нагрузка на ось колесной пары, кН; (1+g) – коэффициент инерции вращающихся частей, (1+g) = 1,25; dV/dt – ускорение одиночного электровоза на площадке, dV/dt ≤ 0,4 м/с2; w¢0 – удельное основное сопротивление движению электровоза при скорости 10 км/ч, w¢0 = 2,

 

кН.

Зная значение FКД1, из графика FКД1 = f(I) определяется ток двигателя при трогании на первой позиции Iтр1 ≈ 270А.

Желательно, чтобы Iтр1 был не более 0,3×Iн.

 

0,3×Iн = 0,3×903,54= 271,06А.

 

1.3 Обоснование системы регулирования напряжения тяговых двигателей электровоза

 

Современные электровозы переменного тока в России имеют в основном ступенчатое и плавное регулирование напряжения коллекторных тяговых двигателей на стороне низкого напряжения тягового трансформатора. В обоих видах регулирования применяются статические (полупроводниковые) преобразователи на неуправляемых (ступенчатое регулирование) и управляемых (плавное регулирование) силовых вентилях. Исходя из исходных данных, нужно дать полную характеристику с плавным регулированием.

Наиболее перспективным явилось плавное регулирование выпрямленного напряжения управляемыми вентилями преобразователя

С помощью преобразовательной установки на тяговом режиме без переключения силовых цепей осуществляется выпрямление тока и плавное регулирование напряжения на зажимах тяговых электродвигателей, что улучшает тяговые свойства электровоза, а на тормозном режиме постоянный ток, вырабатываемый тяговыми электродвигателями, преобразуется в установке в переменный частотой 50 Гц. Этот ток питает тяговые обмотки трансформатора, первичная обмотка которого становится вторичной и возвращает электрическую энергию в контактную сеть для других потребителей.

 

1.4 Схема силовых цепей электровоза с плавным регулированием напряжения

 

Схема силовых цепей электровоза с плавным регулированием напряжения аналогична схеме электровоза ВЛ80Р. Назначение и принцип действия показанных на схеме устройств электрического оборудования, работу электровоза в режимах тяги и рекуперативного торможения, а также принцип действия защиты силовых цепей нужно изучить.

 Ниже даны основные сведения  о силовой схеме электровоза при работе в режиме тяги и рекуперативного торможения.

 

Режим тяги. В режиме тяги регулирование скорости движения поезда осуществляется за счет изменения напряжения на тяговых двигателях I–IV, а также за счет регулирования их возбуждения.

Рисунок 3 – Схема силовой цепи электровоза

с плавным регулированием напряжения

 

Двигатели I и II получают питание с выхода первого выпрямительно-инверторного преобразователя (ВИП1) через сглаживающий реактор 55, а двигатели III и IV – с выхода ВИП2 через сглаживающий реактор 56. На входы ВИП1 и ВИП2 переменное напряжение поступает соответственно от двух вторичных обмоток (а1-х1 и а2-х2) тягового трансформатора. Каждая из этих обмоток состоит из трех секций, в которых две (а1-1, 1-2 в одной и а2-3, 3-4 в другой обмотках) имеют равное число витков, а значит и равное напряжение, а третья (2-х1 и 4-х2) – имеет в два раза большее число витков, чем первые две, т.е. равное сумме витков первых двух секций.

Схемой силовых цепей предусмотрено плавное 4-х зонное регулирование выпрямленного напряжения, как в режиме тяги, так и в режиме рекуперативного торможения. Каждый ВИП состоит из 8 тиристорных плеч.

 Схему ВИП (рисунок 4) можно представить как три параллельно соединенные однофазные мостовые схемы 1-4, 3-6, 5-8 с совмещенными смежными плечами (3-4, 5-6).

Для 8-плечевой схемы ВИП действительны все соотношения обычной однофазной мостовой схемы. На каждой зоне регулирования напряжения работает определенная секция обмотки и соответствующие ей плечи ВИП. Так, на 1-й зоне работает секция 1-2 с плечами 3,4,5,6 ВИП1 и секция 3-4 с плечами 3,4,5,6 ВИП2; на 2-й зоне – сумма секций 1-2 и а1-1 с плечами 1,2,3,4,5,6 ВИП1 и сумма секций 3-4 и а2-3 с плечами 1,2,3,4,5,6 ВИП2; на 3-й зоне – сумма секций 2-х1 и 1-2 с плечами 3,4,5,6,7,8 ВИП1 и сумма секций 4-х2 и 3-4 с плечами 3,4,5,6,7,8 ВИП2; на 4-й зоне – сумма секций 1-х1 и а1-1 с плечами 1,2,3,4,7,8 ВИП2. ВИП1 и ВИП2 работают параллельно соответственно каждый на свою группу тяговых двигателей. Пуск электровоза начинается с 1-й зоны. Согласно алгоритму управления ВИП (рисунок 5, 6 и 7) в 1-й зоне регулирование выпрямленного напряжения производится открытием тиристоров плеч 3,5 в момент α0, а плеч 4,6 – в момент, соответствующий регулируемому углу αФ (рисунок 8, а, б). Здесь α0 является наименьшим допустимым углом открытия тиристоров в начале каждого полупериода напряжения, равным примерно 100 (иначе α0 – фаза управляющего импульса). Особенностью 1-й зоны является то, что на тиристоры плеча 5 сигнал управления подается дважды: первый от основного выходного усилителя в момент α0, а второй – от дополнительного выходного усилителя в момент αФ (рисунок 6). Это необходимо с целью обеспечения надежного контура тока в цепи ВИП и тяговых двигателей в начале процесса выпрямления.

Рисунок 5 – Упрощенная силовая схема электровоза

 

Рисунок 6 – Алгоритм управления электровоза

 

 

Рисунок 7 – Алгоритм управления ВИП по зонам

регулирования в тяге

 

Энергия, запасенная в цепи выпрямленного тока (сглаживающий реактор, тяговые двигатели) за время коммутации (время перехода тока с одного плеча на другое в начале каждого полупериода), разряжается по нулевому контуру, образованному сглаживающим реактором, тяговыми двигателями и тиристорами плеч 3,4 в одном полупериоде, либо 5,6 в другом полупериоде напряжения. Таким образом, происходит чередование использования тиристоров в качестве нулевых вентилей (рисунок 8, б). На диаграмме напряжения U1-2 будет нулевая площадка, т.е. со стороны трансформатора на тяговые двигатели в этот момент времени энергия не поступает. Регулирование фазы управляющих импульсов αФ производится в диапазоне от aФМАКС » 1800 до aФМИН » a0, выпрямленное напряжение в конце 1-й зоны достигает 1/4 UДН, во 2-й зоне выпрямленное напряжение увеличивается от 1/4 UДН до 1/2 UДН за счет изменения фазы открытия тиристоров плеч 1,2 в диапазоне от aФМАКС до aФМИН (рисунок 8). При этом согласно алгоритму управления плечи 3,4,5,6 открываются в момент времени α0.

В 3-й зоне производится перевод нагрузки с секций а1-1 и 1-2 на равную их сумме по напряжению секцию 2-х1. Одновременно то же самое происходит с секциями а2-3, 3-4 и 4- х2 в ВИП2. После этого изменением угла открытия aФ плеч 3,4 в диапазоне от aФМАКС до aФМИН выпрямленное напряжение плавно увеличивается от 1/2 UДН до 3/4 UДН (рисунок 8, а, б). Здесь на тиристоры плеч 5,6,7,8 подаются импульсы управления a0, причем на тиристоры плеч 5,6 должна быть изменена полярность подачи импульсов a0 по сравнению с 1-й и 2-й зонами (это изменение вызвано сменой секций при переходе со 2-й на 3-ю зону).

В 4-й зоне в работу вводятся тиристоры плеч 1, 2, изменение угла открытия aФ которых в диапазоне от a ФМАКС до a ФМИН изменяет выпрямленное напряжение от 3/4 UДН до UДН. Здесь на тиристоры плеч 3, 4, 7, 8 подаются импульсы управления a0.

При уменьшении напряжения на тяговых двигателях последовательность работы преобразователей обратная.

                          

                                а)                                                            б)

 

Рисунок 8 – Диаграммы выпрямленного напряжения

 по зонам регулирования (а) и напряжений и токов

по плечам ВИП на 1, 2, 3, 4-й зонах регулирования (б)

 

Режим рекуперативного торможения. Для перехода из режима тяги в режим рекуперации необходимо перевести тяговые двигатели в генераторный режим с независимым возбуждением (рисунок 9). Кроме этого, производится реверсирование обмоток возбуждения, т.е. направление тока в обмотках возбуждения с помощью тормозного переключателя задается таким, чтобы направление ЭДС якоря изменилось на противоположное по сравнению с тяговым режимом. В то же самое время направление тока в якорях тяговых двигателей, работающих генераторами (источниками энергии), не может быть изменено. Следовательно, ток и ЭДС якоря имеют согласное направление. Поэтому в режиме рекуперации электрическая энергия, вырабатываемая в генераторах, будет отдаваться в контактную сеть; становится возможным передача энергии в обратном направлении из цепи выпрямленного тока в сеть переменного тока. В этом случае ВИП работает в режиме инвертора, преобразующем постоянный ток генератора в переменный ток сети.

а)

б)

Рисунок 9 – Упрощенная схема силовых цепей электровоза с плавным регулированием напряжения в режиме рекуперативного торможения (а) и алгоритм управления ВИП по зонам регулирования в рекуперативном торможении (б)

 

При рекуперативном торможении в зоне высоких скоростей тормозное усилие регулируется плавным изменением тока возбуждения, а в зоне средних и малых скоростей – плавным изменением ЭДС инвертора.

Порядок открытия тиристоров плеч ВИП в инверторном режиме по зонам регулирования поясняется алгоритмом управления ВИП (рисунок 6) и диаграммами процессов инвертора (рисунок 10).

                               

                                а)                                                                 б)

Рисунок 10 – Диаграмма процессов инвертора электровоза

переменного тока в режиме рекуперативного торможения:

 (а) напряжение инвертора по зонам регулирования;

(б) напряжения и токи плеч инвертора по зонам

 регулирования

 

Вход в рекуперативный режим электровоза практически может быть осуществлен при любой скорости движения. Но обычно рекуперативное торможение применяют для поддержания постоянной скорости на уклонах, а также для полной остановки поезда перед запрещающим сигналом.

В 4-й зоне импульсы управления подаются на тиристоры плеч 1,8 (в одном полупериоде) и 2,7 (в другом полупериоде) с фазой (углом), равной b (угол опережения открытия тиристоров относительно окончания полупериода, отсчитывается от момента p , 2p). Значение угла b автоматически регулируется в зависимости от тока рекуперации так, чтобы угол запаса d (на диаграммах процессов (рисунок 10) угол d не показан в силу упрощения процессов, рассмотренных без учета угла коммутации g тока тиристоров плеч ВИП) поддерживался постоянным и равным примерно 25–30 эл. град. В таком случае, исходя из b = g + d, соблюдается равенство d = b – g = const. Тормозное усилие и скорость движения электровоза в 4-й зоне регулируется плавным изменением тока возбуждения, который по мере снижения скорости для поддержания заданного тормозного усилия должен увеличиваться плавным управлением тормозной рукоятки контроллера машиниста. При достижении наибольшего тока возбуждения дальнейшее поддержание тормозного усилия осуществляется регулированием напряжения инвертора Ud, которое осуществляется с помощью подачи управляющих импульсов с фазой aф, меняющейся в диапазоне от aф £ p–b до aф мин, на тиристоры плеч 3,4. Полярность этих импульсов относительно полупериодов напряжения меняется по сравнению с режимом тяги на противоположную.