Диплом (1222966), страница 5
Текст из файла (страница 5)
- конденсатор С11–С18 (К75 0,024 мкФ) – для снижения уровня радиопомех.
На основании проведённого анализа силовой схемы 2ЭС5К можно сделать однозначный вывод, – модернизация силовой схемы возможна и не нарушит функционирование электровоза в целом.
3 АНАЛИЗ ПРОТИВОБОКСОВОЧНОЙ СХЕМЫ С УРАВНИТЕЛЯМИ
Система электрического спаривания осей (ЭСО) электровоза с уравнителями является представителем категории противобоксовочных систем, направленных на увеличение жёсткости тяговой характеристики при возникновении боксования. Взаимосвязь динамической жёсткости тяговой характеристики и боксования представлена на рисунке 3.1. В данном разделе будут исследованы различные режимы работы системы ЭСО и разработана система управления.
Рисунок 3.1 – Влияние динамической жёсткости тяговой характеристики на развитие процесса боксования: 1 – жёсткая тяговая характеристика; 2 – мягкая тяговая характеристика; 3 – зависимость силы сцепления от скорости движения;
4 – изменение силы сцепления при боксовании
В точке К показан режим стабильной реализации силы сцепления. Если, например, из-за дождя произойдёт потеря сцепления на величину ΔF, то возникнет боксование колёсной пары (точка М), из-за превышения силой тяги силы сцепления. Скорость движения боксующей колёсной пары равна сумме скоростей vк поступательного движения и скорости скольжения u колеса по рельсу. При боксовании сила сцепления снижается по кривой 4. При мягкой тяговой характеристике (кривая 2) боксование будет стремиться развиваться в разносное, так как по мере увеличения скорости скольжения разность между силой тяги и силой сцепления будет возрастать. При жёсткой характеристике (кривая 1), сила сцепления при скорости, соответствующей точке N, окажется равной силе тяги. Таким образом скольжение колёсной пары прекратится и наступит новое равновесие.
3.1 Принцип работы противобоксовочной схемы
Система электрического спаривания осей с электрическими уравнителями работает в тяговом режиме и обеспечивает уменьшение скорости проскальзывания боксующих колёсных пар, перераспределение тяговых усилий между колёсными парами, а также автоматическую дозированную подачу песка под боксующую секцию электровоза.
Система уравнителей подключается к средним точкам всех четырёх тяговых двигателей секции электровоза. Схема подключения представлена на рисунке 3.2.
В статическом состоянии (без боксования) средние точки всех двигателей имеют очень близкие потенциалы, а небольшой уравнительный ток компенсируется системой ЭСО. При возникновении боксования ток в якоре боксующего двигателя уменьшается, что приводит к уменьшению потенциала его средней точки по отношению к потенциалам средних точек других тяговых двигателей. Под действием этой разности потенциалов начинают протекать уравнительные токи, подпитывающие обмотку возбуждения боксующего двигателя. В результате этого скорость его вращения уменьшается и процесс боксования прекращается.
Рисунок 3.2 – Контура уравнительных токов
Снижение скорости проскальзывания колёс при боксовании система электрических уравнителей осуществляла следующим образом. При возникновении боксования на двигателе № 1 уменьшится ток, протекающий по якорной обмотке, в результате этого можно говорить об уменьшении потенциала средней точки двигателя № 1 по отношению к потенциалам средних точек остальных тяговых двигателей секции. Эта разность потенциалов вызывает появление уравнительного тока, протекающего по следующим контурам:
- контур первый (сплошная линия): плюс выпрямительно-инверторного преобразователя №1 (ВИП-1) – якорь двигателя №2 – система ЭСО – обмотка возбуждения двигателя №1 (ОВ-1) – минус ВИП-1;
- контур второй (пунктирная линия): плюс ВИП-2 – якорь двигателя №3 – система ЭСО – ОВ-1 – минус ВИП-2;
- контур третий (штрихпунктирная линия): плюс ВИП-2 – якорь двигателя №4 – система ЭСО – ОВ-1 – минус ВИП-2.
Таким образом, боксование первого двигателя вызывает перераспределение нагрузки между другими двигателями в секции электровоза и одновременную подпитку его собственной обмотки возбуждения уравнительным током. В результате подвозбуждения боксующего двигателя увеличивается «жёсткость» его характеристики и, следовательно, уменьшается скорость проскальзывания связанной с ним колёсной пары. Характер перераспределения нагрузки между не боксующими двигателями зависит от разброса характеристик электрического оборудования конкретного локомотива и системы ЭСО.
Принципиальная схема силовой части системы уравнителей [6] изображена на рисунке 3.3.
Рисунок 3.3 – Схема силовых цепей системы электрических уравнителей
Блоки диодных уравнителей (БД1 и БД2) обеспечивают протекание уравнительных токов между всеми тяговыми двигателями секции электровоза. Тиристорный стабилизатор напряжения (ТСН) управляет тиристорами и поддерживает на выходе заданное напряжение, он служит для компенсации разброса характеристик тяговых двигателей. Трансформатор постоянного тока (ТПТ) предназначен для измерения величины уравнительного тока. Панель управления (ПУ) формирует управляющие импульсы на тиристоры ТСН и управляет электропневматическими вентилями «песочниц» электровоза. Трансформатор Т13 вырабатывает напряжения питания для ТСН и ПУ. Автоматический быстродействующий выключатель QF2 защищает оборудование от аварийного уравнительного тока, например, при круговом огне на коллекторе. Сглаживающий дроссель ДР ограничивает скорость нарастания аварийного тока. Диод, включённый параллельно выходу ТСН, уменьшает перенапряжение на контактах быстродействующего выключателя в момент его отключения.
Согласно [6] испытания системы ЭСО проводились в 1989–1990 гг. на электровозах ВЛ80Р-1798 и ВЛ80Т-1112. По их итогам было выяснено, что в нормальном режиме эксплуатации ток уравнителя достигал 10–40 А, а в режиме боксования 150–200 А. Помимо этого использование новой противобоксовочной системы позволило почти полностью отказаться от подсыпки песка под КП.
3.2 Модернизация схемы на новые элементы
В предыдущем подразделе приводится принципиальная схема силовой части системы ЭСО с использованием трансформатора и тиристорного стабилизатора напряжения для компенсации разброса характеристик тяговых двигателей. Современное развитие электроники позволяет заменить оба устройства IGBT-транзистором в модульном исполнении, что упрощает конструкцию системы и снижает общую её стоимость.
Применение IGBT-модуля обусловлено его способностью работать с высоким коммутируемым напряжением (до 10000 В) и током (до 1600 А) при
одновременно высоком входном сопротивлении, а также повышенном быстродействии устройства [7].
Усовершенствованная принципиальная схема силовой части системы уравнителей, изображена на рисунке 3.3.
Рисунок 3.3 – Усовершенствованная силовая схема электрических уравнителей
Блоки диодных уравнителей (БД1 и БД2) обеспечивают протекание уравнительных токов между всеми тяговыми двигателями секции электровоза. Система управления (СУ) определяет по сигналу с датчиков наличие боксования и по необходимости даёт команду драйверу IGBT-модуля, а также управляет электропневматическими вентилями «песочниц» электровоза. Автоматический быстродействующий выключатель QF2 защищает оборудование от аварийного уравнительного тока, например, при круговом огне на коллекторе. Сглаживающий дроссель ДР ограничивает скорость нарастания аварийного тока. IGBT-модуль служит в качестве «ключа» электрической цепи системы ЭСО, управляющее напряжение на который подаётся через драйвер (Д).
Принцип работы силовой схемы системы ЭСО заключается в следующем. Датчик напряжения (ДН) фиксирует величину разности потенциалов, возникающую из-за разброса характеристик тяговых двигателей. В статическом состоянии (без боксования) управляющее напряжение на IGBT-модуль не подаётся, что соответствует его закрытому режиму работы. В состоянии боксования система управления, при помощи драйвера, полностью открывает IGBT-модуль, что способствует беспрепятственному протеканию уравнительных токов. Величина уравнительного тока измеряется датчиком ДТ, сигнал с которого поступает в систему управления ЭСО.
3.3 Моделирование и анализ
Процесс моделирования будет осуществляться в пакете NI Multisim 2012.
3.3.1 Описание среды моделирования
NI Multisim – популярный программный пакет, позволяющий моделировать любые электронные схемы. В состав пакета входят более 2000 SPICE-моделей (Simulation Program with Integrated Circuit Emphasis – программа эмуляции со встроенным обработчиком схем) реальных элементов от известных производителей, таких как Phillips, National Semiconductor, NXP, Analog Devices и других. Простой интуитивно понятный интерфейс, наличие виртуальных измерительных приборов, приближенных к реальным аналогам, средства графического анализа результатов моделирования – это только малая часть особенностей, отличающих данный пакет моделирования от других программ-эмуляторов. Среди основных разделов программы можно выделить такие как:
- sources (источники питания);
- basic (базовые элементы);
- diodes (диоды и другие полупроводниковые элементы);
- transistors (транзисторы);
- analog (аналоговые компоненты);
- ttl, cmos (логические элементы);
- mcu (микроконтроллеры);
- advanced peripherals (современные периферийные устройства);
- misc digital (разные цифровые устройства);
- mixed (смешанные элементы);
- indicators (индикаторы);
- power (преобразователи мощности);
- misc (другие устройства);
- rf (радиокомпоненты);
- electro mechanical (электромеханические устройства);
- connectors (соединительные устройства);
- NI components (компоненты National Instruments).
Ещё одной особенностью среды моделирования Multisim является наличие интерактивных элементов, состояние которых можно изменять в режиме моделирования. К таким элементам относятся переключатели и потенциометры, малейшие изменения состояния которых мгновенно отражаются в имитации.
Инструмент Convergence Assistant (помощник сходимости) автоматически исправляет параметры SPICE, корректируя ошибки моделирования.
С каждой новой версией программы улучшается её функционал, появляются новые инструменты моделирования, расширяется база элементов, благодаря чему улучшается как точность, так и быстродействие моделяционных свойств программы. Возможность взаимодействия со средой разработки LabVIEW позволяет производить сопоставление теоретических и реальных данных на этапах создания печатных плат. Это приводит к уменьшению проектных ошибок и как следствие к ускорению создания проектов. Однако улучшение функционала программы тесно сопряжено с увеличением требований к оборудованию, так как нагрузка на центральный процессор и память возрастает, что требует улучшенной производительности. Современные реалии развития вычислительной электроники позволяют использовать среду моделирования широкому кругу лиц.
3.3.2 Описание модели электровоза и противобоксовочной системы
Упрощённая модель силовых цепей секции электровоза «Ермак» в режиме тяги представлена на рисунке 3.4.
Рисунок 3.4 – Модель секции электровоза «Ермак» в прикладном пакете Multisim 2012
Применительно к рисунку 3.4 тяговый трансформатор ОНДЦЭ-4350/25 представлен блоком Т1 с напряжением первичной обмотки 25000 В и количеством витков на первичной обмотке – 873, на вторичных по 11 витков [11].
Тяговые электродвигатели НБ-514Б представлены блоками М1–М4 DC_MACHINE_WOUND_FIELD с параметрами, указанными в [10].
Выпрямительно-инверторный преобразователь ВИП-4000М-УХЛ2 [19] представлен подсхемами VIP1 и VIP2 и работает на второй зоне регулирования. Вид данных подсхем представлен на рисунке 3.5.
Рисунок 3.5 – Вид подсхемы VIP1
Подсхема VIP2 по своему составу аналогична VIP1. В качестве тиристоров Т353-800 выбраны максимально приближенные по параметрам тиристоры 2N6405, имеющие обозначения на схеме D11–D16. Система управления преобразователем реализована на базе источников импульсов PULSE_VOLTAGE, имеющих обозначение на схеме V100, V200, V300, V400, V500 и V600.
Нагрузка на тяговые электродвигатели задаётся через подсхемы Vn1–Vn4 при помощи элементов U1–U4 ARBITRARY_LOAD, на которых регулируется скорость электровоза.
Состав подсхемы Vn1 представлен на рисунке 3.6. Подсхемы Vn2, Vn3 и Vn4 по своему составу аналогичны Vn1 и выполняют преобразование единиц измерения км/ч в об/мин, которые через элемент А2 GAIN_2_PIN и U6 RPM_TO_RAD_PER_SEC преобразуются во входное значение, подаваемое на тяговые электродвигатели.
Рисунок 3.6 – Вид подсхемы Vn1
Элемент GEARS моделирует зубчатую передачу электровоза с коэффициентом редукции, указанным в [20], и имеет обозначение U5.
Элементы L1–L4 INDUCTOR являются моделями сглаживающего реактора РС-19 [11].
Система ЭСО представлена блоками диодов D1–D8, индуктивным шунтом L5, являющимся моделью ИШ-009 [11] и IGBT-транзистором IRGTIN075M12, имеющим обозначение Q1. Управление IGBT-транзистором производится за счёт подачи управляющего напряжения от источника V5 через размыкатель S2.
Мультиметры ХММ1–ХММ4, работающие в качестве датчиков напряжения, измеряют величину разности потенциалов между средними точками тяговых электродвигателей M1–M4.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
