Системы управления электроподвижным составом

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 a _Ф плеч 3,4 в диапазоне от a_ФМАКС   до a _{Ф МИН} выпрямленное напряжение плавно увеличивается от 1/2 U_ДН до 3/4 U_ДН. 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 a _Ф которых в диапазоне от a _{Ф МАКС} до a _{Ф МИН} изменяет выпрямленное напряжение от 3/4 U_ДН до U_ДН. Здесь на тиристоры плеч 3, 4, 7, 8 подаются импульсы управления a ₀.

При уменьшении напряжения на тяговых двигателях последовательность работы преобразователей обратная.

Режим рекуперативного  торможения. Для перехода из режима тяги в режим рекуперации необходимо перевести тяговые двигатели в генераторный режим с независимым возбуждением. 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.

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 и диаграммами процессов инвертора.

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 (рис. 2.10) 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 U_D, которое осуществляется с помощью подачи управляющих импульсов с фазой a _ф, меняющейся в диапазоне от  a_ф£p–b до a_ф мин, на тиристоры плеч 3,4. Полярность этих импульсов относительно полупериодов напряжения меняется по сравнению с режимом тяги на противоположную.

В 3-й зоне импульсы управления с  фазой b подаются на тиристоры плеч 3,8 и 4,7 соответственно по полупериодам. Для регулирования напряжения инвертора U_D на тиристоры 5,6 подаются импульсы управления с фазой a_ф, изменяющиеся от a_ф£p–b до a _ф мин.

Во 2-й зоне импульсы управления с  фазой b подаются на тиристоры плеч 1,6 и 2,5, а импульсы управления с фазой a _ф подаются на тиристоры плеч 3,4. С помощью изменения фазы импульсов a_ф напряжение инвертора U_D регулируется в ту или иную сторону и позволяет таким образом регулировать ток рекуперации:

Е – U_D

I_P = –––––––– ,                                             (1.20)

SR

где Е – ЭДС тягового двигателя в режиме генератора; U_D – выпрямленное напряжение инвентора; SR – сумма сопротивлений контура тока рекуперации.

На 1-й зоне импульсы управления с  фазой b снимаются с тиристоров плеч 1, 2, а на тиристоры плеч 5, 6 подаются импульсы, регулируемые по фазе a _ф. На тиристоры плеч 3, 4 продолжают поступать импульсы, регулируемые по фазе a _ф. На 1-й зоне в диапазоне малых скоростей начинает действовать так называемый режим противовключения, когда ЭДС генератора становится малой по величине вследствие снижения скорости движения, и увеличение тормозного тока I_Р возможно только благодаря изменению напряжения инвертора U_D на противоположную полярность, когда оно будет складываться с ЭДС генератора и тем самым увеличивать тормозной ток I_Р

E + U_D

I_P = –––––––– .                                           (1.21)

SR

Изменение полярности U_D происходит в тот момент, когда импульсы управления с фазой a _ф начинают подаваться на тиристоры плеч 5, 6, 3, 4 в диапазоне от a _ф = p/2 до a_ф мин. С этого момента (a_ф = p/2) рекуперация прекращается и наступает режим противовключения, когда тяговые двигатели развивают тяговый момент, соответствующий направлению движения “назад”, и электровоз начинает потреблять энергию из сети.

 

1.5. Выбор и расчет  параметров основного электрооборудования и основных аппаратов

 

Кроме выбора основного электрооборудования  и основных аппаратов, выполним расчет параметров тягового трансформатора электровоза  переменного тока и резисторов ослабления поля.

 

 

1.5.1. Расчет основных  параметров тягового трансформатора

Типовая мощность S_T тягового трансформатора при полной нагрузке определяется как

 

S_T = S_ТЯГ + S_ВСП ,                                             (1.22)

 

где S_ТЯГ – типовая мощность тяговых обмоток трансформатора; S_ВСП – типовая мощность вспомогательной обмотки трансформатора для собственных нужд электровоза.

 

При расчете S_ТЯГ пренебрегаем током холостого хода трансформатора, а также потерями в трансформаторе и преобразователях:

P_ДЛ · n_Д  ·К_ФК_ТМ

S_ТЯГ = –––––––––––––– ,                                        (1.23)

h_ДДЛ

P_ДЛ · n_Д  ·К_ФК_ТМ

                                        S_ТЯГ = –––––––––––––– ,                                       

h_ДДЛ

 

 

где P_ДЛ – мощность тягового двигателя в длительном режиме,

P_ДЛ = P_ДН∙ К_ВЕНТ (К_ВЕНТ = 0,85 ¸ 0,95 – коэффициент вентиляции тягового двигателя); К_Ф –коэффициент формы кривой тока нагрузки трансформатора, К_Ф = 1,03 ¸ 1,08; К_ТМ – коэффициент типовой мощности трансформатора, для мостовой схемы выпрямления К_ТМ = 1,11; h_ДДЛ – КПД тягового двигателя в длительном режиме, h _ДДЛ = h _ДН; n_Д – количество тяговых двигателей, включенных в одной секции электровоза.

 

       P_ДН∙ К_ВЕНТ · n_Д  ·К_Ф∙К_{ТМ       900∙8∙1,05∙1,11}

S_ТЯГ = –––––––––––––– =   -----------------------   =  9072 кВТ                                  

      h_{ДДЛ           0,925}

 

Мощность вспомогательной  обмотки, кВА, для собственных нужд электровоза принимается равной

 

S_ВCП = (0,075 ¸ 0,085) S_ТЯГ .                                 (1.24)

S_ВCП = 0,08 ∙ 9072 = 725,76 кВТ,

S_T = S_ТЯГ + S_{ВСП= 9072+725,76= 9797,76 кВТ}

 

Номинальное реактивное сопротивление обмоток тягового трансформатора на наивысшей ступени  регулирования, и приведенное ко вторичной обмотке рассчитывают по напряжению короткого замыкания  трансформатора

 

1,25 U_КЗ (%) U_ДН

Х_ТН = –––––––––––––––,                                       (1.25)

100% n_ДВ I_Н

где U_КЗ (%) – напряжение короткого замыкания трансформатора (иначе реактивные потери напряжения в трансформаторе), определяемое из опыта короткого замыкания и выраженное в процентах от номинального переменного напряжения. При приведении ко вторичной обмотке U_КЗ (%) = 10%; n_ДВ – число тяговых двигателей, включенных на один преобразователь секции электровоза; 1,25 – коэффициент, учитывающий соотношение между номинальным напряжением на двигателе и переменным напряжением холостого хода на наивысшей ступени регулирования [1].

Х_ТН =0,049 Ом

Известно из [1], что  между X_ТН и r_ТН имеется соотношение

 

Х_ТН = (7,7¸8,9) r_ТН .                                              (1.26)

 

Отсюда для расчета  принимается среднее значение

 

r_ТН = 1 / 8,3 Х_ТН = 0,12 Х_ТН.                                 (1.27)    

 

 

r_ТН =  0,12∙ 0,012 =0,006 Ом

Номинальное действующее  напряжение холостого хода вторичной  обмотки тягового трансформатора определяется по формуле

 

p

U_2ОH = –––––– (U_ДН + D U_{ПР Н}) ,                    (1.28)

2 · Ö2

где D U_ПРН – потери напряжения в преобразовательной установке при номинальном режиме, ориентировочно можно принять D U_{ПР Н} = 0,125U_ДН.

 

После преобразований

 

U_2OH = 1,25∙ U_ДН .                                           (1.29)

 

U_2OH = 1,25∙ 875= 1094 В

 

Число витков вторичной  обмотки тягового трансформатора для  регулирования напряжения одного преобразователя  определяют по формуле

 

w ₂ = U_2OH / e₀ ,                                           (1.30)

 

где e₀ – ЭДС одного витка обмоток тягового трансформатора, для грузовых электровозов е₀ = 18 ¸ 22 В/виток, для расчетов принимают среднее значение е₀ = 20 В/виток.

w ₂ = 1094 / 20= 54,7 витков

Принимаем w ₂ = 55 витков.

Уточняем ЭДС одного витка

 

e₀= 1094 /54,7 = 20 В.

 

 

Расчет числа секций вторичной обмотки для регулирования  напряжения одного преобразователя  ведется неодинаково для электровозов со ступенчатым и плавным принципом  регулирования.

Для электровоза с  плавным регулированием напряжения общее число витков вторичной обмотки w ₂ на высшей ступени регулирования (конец 4-й зоны) складывается из суммы числа витков 3 или 4 секций, равных между собой

 

w ₂ = (3¸ 4) w _СЗ ,                                                    (1.43)

 

где w _СЗ – число витков секции обмотки для одной зоны регулирования.

 

Выбор числа витков секции w _СЗ например по типу схемы электровозов (ВЛ80Р, ВЛ85, ВЛ65), производится в соответствии с условием

 

w _СЗ = 1/4× w₂  ,                                                        (1.44)

             w ₂ = (1 ¸ 4) 2w _{2 = 1/4∙54,7= 13},75 витков

Число витков во вторичной  обмотке собственных нужд тягового трансформатора для электровозов с  обоими принципами регулирования напряжения (ступенчатое и плавное) определяют по формуле

U_2СН

w _СН = –––––– ,                                               (1.45)

е_ОР

где U_2СН – действующее значение напряжения холостого хода на вторичной обмотке собственных нужд, U_2СН=380 В.

 

w _СН = 380 /20=19 витков.

 

Номинальный ток первичной  обмотки тягового трансформатора, потребляемого из контактной сети, определяют по формуле

S_T

I_1H = –––––––– ,                                               (1.46)

U_KC h _T

где S_Т – типовая мощность тягового трансформатора; UKC – номинальное напряжение контактной сети, U_KC = 25000 В; h_T – КПД тягового трансформатора, h _T = 0,97 ¸ 0,98.

 

 

 А.

 

 

1.5.2. Расчет  основных параметров резисторов  ослабления поля

 

Сопротивление резистора  ослабления поля определяют по формуле

 

b

R_ОП = r_В ( –––––– ) – R_ИШ,                                  (1.47)

1 – b

где r_В – активное сопротивление обмотки возбуждения главных полюсов тягового двигателя (r_В = 0,25 =0,25 _Ом – электровозы переменного тока);

b – коэффициент регулирования возбуждения тягового двигателя;

R_ИШ –активное сопротивление индуктивного шунта, R_ИШ = 0,007 Ом.

 

,

На третьей ступени  регулирования возбуждения ОП-3 параллельно  обмотке возбуждения включается только один индуктивный шунт, т.е.

 

R_ОП3 = R_ИШ = 0,007 Ом.

 

2.6. Расчет числа  вентилей преобразовательной установки  электровоза переменного тока

 

Количество вентилей в преобразователе электровоза  определяется током тяговых двигателей, обратным или прямым напряжением , приходящимся на плечи преобразователя, и условиями охлаждения вентилей. Преобразователь должен выдерживать ток тяговых двигателей I_МАКС при трогании поезда с места (при V=0) при максимальной силе тяги на пределе сцепления.

 

Cледовательно, число  параллельно включенных вентилей в плече преобразователя определяют по формуле