Результат интеллектуальной деятельности: Способ повышения работоспособности электровозов переменного тока в режиме рекуперативного торможения и устройство для его реализации

Изобретение относится к способу повышения работоспособности электровозов переменного тока в режиме рекуперативного торможения. Способ заключается в отслеживании импульсов управления, подаваемых на управляющие электроды тиристоров плеч выпрямительно-инверторных преобразователей (ВИП), и в случае пропуска импульса управления на одно из тиристорных плеч ВИП, блок управления ВИП формирует и подает новый импульс, предотвращая аварийный режим - короткое замыкание генератора, сохраняя тем самым работоспособность электровоза в режиме рекуперативного торможения. Изобретение включает в себя новый алгоритм управления ВИП электровоза и дополнительную установку блоков отслеживания импульсов на каждый ВИП.

Целью данного изобретения является сохранение работоспособности электровоза в режиме рекуперативного торможения при пропуске управляющих импульсов, подаваемых на тиристорные плечи ВИП, неизбежно вызывающих аварийный режим - короткого замыкания в его силовой цепи.

Анализ причин выхода из строя ВИП показал, что основная часть отказов и повреждений силовой части преобразователя происходит из-за повреждения электронных элементов и сбоев в работе системы управления преобразователем. Значительная часть таких отказов приходится на пропуск управляющих импульсов, подаваемых на управляющие электроды тиристоров плеч ВИП.

Пропуск импульса управления может произойти по ряду причин: неисправность блока управления, обрыв проводов управления, замыкание проводов на корпус, замыкания проводов между собой и др., вследствие чего образуется аварийный режим работы ВИП, ток многократно увеличивается и приводит к выходу из строя электрическое оборудование всей силовой цепи электровоза.

На фиг. 1 показана диаграмма выпрямленного напряжения (U_g), тока генератора (I_g), направление электродвижущей силы тягового трансформатора (Е) и токов плеч ВИП (I_VS) с типовым алгоритмом управления [1], на примере 4-ой зоны регулирования при пропуске импульса управления на тиристорное плечо VS2. На фиг. 2 показаны мгновенные схемы замещения ВИП на 4-ой зоне регулирования с типовым алгоритмом. Для более подробного анализа первый полупериод разбивается на временные интервалы 0-1-2-3-4-5-π, а второй полупериод - на интервалы π-6-7-8-9-10-2π, фиг. 1.

Допустим, что в первом полупериоде напряжения, обозначенном сплошной стрелкой, ток протекает на интервале 0-1 через тиристорные плечи VS1, VS8. В момент времени, соответствующий точке 1, после подачи импульса управления α_р (регулируемый угол открытия тиристоров) на тиристоры плеча VS3 начинается коммутация тока с тиристоров плеч VS1 на VS3. Коммутация γ_р, которой соответствует интервал 1-2, происходит под действием напряжения секции a1-1 вторичной обмотки тягового трансформатора. После окончания коммутации на интервале 2-3 напряжение инвертора определяется уже напряжением секций 1-х1 тягового трансформатора. В конце полупериода с опережением на угол β (угол опережения открытия тиристоров), точка 3, подаются одновременно импульсы управления на тиристорные плечи VS2 и VS7. Однако на плечо VS2 импульс управления не приходит по одной из указанных выше причин. В связи с этим отсутствует коммутация, с плеча тиристоров VS8 на плечо VS2, в этот момент образуется аварийный режим - короткое замыкание генератора. На интервалах 5-6-7-8-9-10-π; напряжение инвертора U_и равно нулю, так как ток генератора протекает через одновременно открытые плечи тиристоров, минуя вторичную обмотку тягового трансформатора. Из-за малого сопротивления выпрямленной цепи сила тока многократно увеличивается.

Известны электровозы переменного тока ВЛ80Р, ВЛ85, ВЛ65, ЭП1(П, М), 2(3,4)ЭС5К, Э5К на которых применяются тиристорные ВИПы [1-3]. На данных электровозах в качестве защиты ВИП от аварийных режимов устанавливаются быстродействующие выключатели и реле перегрузки. В случае возникновения аварийного режима, цепи защиты срабатывают и разбирают схему работы рекуперативного торможения и электровоз теряет тормозной эффект В_КЭ=0, появляется необходимость применения пневматического торможения. В этот момент в поезде происходят значительные продольные динамические реакции, которые могут привести к сходу подвижного состава с рельсового пути.

Технический результат - повышение работоспособности ВИП электровоза переменного тока в режиме рекуперативного торможения и исключение развития аварийного режима - короткого замыкания генератора.

Предлагаемый способ повышения работоспособности электровоза переменного тока не только исключает выход из строя электрического оборудования цепи преобразователя, но и сохраняет режим рекуперативного торможения электровоза в эксплуатации.

Способ заключается в совершенствовании алгоритма управления ВИП и дополнительной установке на каждом преобразователе блоков отслеживания импульсов. Блок устанавливается непосредственно на самом преобразователе и подключается параллельно к проводам управления ВИП, фиг. 3. Блок содержит две параллельно включенные группы диодов, условно разделяющие подходящие к ВИПу провода управления на 1-ю и 2-ю группы. К 1-ой группе относятся тиристорные плечи преобразователя: VS1, VS2, VS3, VS4, а ко 2-й: VS5, VS6, VS7, VS8. При работе преобразователя на каждой из зон регулирования одновременно, согласно типовому алгоритму [1], подаются импульсы β на плечи преобразователя 1-й и 2-й группы. Блок осуществляет обратную связь с блок управления с помощью двух выходящих из него проводов управления, фиг. 3. При отсутствии на одном из проводов сигнала, система управления включает предлагаемый (аварийный) алгоритм работы плеч инвертора фиг. 4.

Рассмотрим процесс работы ВИП в режиме рекуперативного торможения при пропуске импульса управления согласно предлагаемому алгоритму управления тиристорными плечами на примере четвертой зоны регулирования. На фиг. 5 показана диаграмма выпрямленного напряжения (U_g), тока генератора (I_g), направление электродвижущей силы контактной сети (Е) и токов плеч ВИП (I_VS) с типовым алгоритмом управления (фиг. 4), на примере 4-й зоны регулирования при пропуске импульса управления на тиристорное плечо VS2.

Для более подробного анализа рассмотрим четыре полупериода каждый из которых разбивается на временные интервалы: 0-1-2-3-4-5-π, π-6-7-2π, 2π-8-9-10-11-3π, 3π-12-13-14-4π, фиг. 5. Мгновенные схемы замещения ВИП во временных интервалах: 0-1-2-3-4-5-π, π-6-7-2π, 2π-8-9-10-11-3π, 3π-12-13-14-4π, представлены на фиг. 6.

Пусть в полупериоде питающего напряжения, в котором эдс обозначена сплошной стрелкой, ток инвертора протекал через плечи VS1 и VS8, этому соответствует интервал 0-1. В момент времени, соответствующий точке 1, управляющий импуль α_р подается на тиристоры плеча VS3. После этого происходит коммутация тока с длительностью γ_р с плеча VS1 на плечо VS3 инвертора. Мгновенная схема замещения ВИП во временном интервале 1-2. После фазовой коммутации γ_р ток инвертора будет протекать через тирсисторные плечи VS3 и VS8, чему соответствует интервал 2-3. В момент времени, соответствующий углу опережения β, точка 3, происходит подача импульсов на тиристоры плеч VS2 и VS7. Однако на плечо VS2 импульс управления не приходит. В связи с этим отсутствует коммутация тока с плеча тиристоров VS8 на плечо VS2, в этот момент начинается образование аварийного режима - короткое замыкание генератора. Система управления фиксирует отсутствие сигнала на тиристорном плече VS2. После чего импульсы управления буду подаваться на тиристорные плечи инвертора согласно аварийному алгоритму управления, фиг. 4. На интервале 4-5 происходит коммутация тока с плеча VS3 на плечо VS7. Мгновенная схема замещения ВИП во временном интервале 4-5. На интервале 5-6 напряжение инвертора U_и равно нулю, так как, ток генератора протекает через одновременно открытые плечи тиристоров, минуя вторичную обмотку тягового трансформатора. В момент времени, соответствующий углу опережения β, точка 6, происходит подача импульсов на тиристоры плеч VS1 и VS8. Происходит коммутация тока с тиристорного плеча VS7 на плечо VS1. В соответствии с аварийным алгоритмом управления тиристорными плечами инвертора, фиг. 4, в момент времени, соответствующий точке 10, управляющие импульсы β подаются одновременно на тиристоры плеч VS4 и VS7. В результате происходит коммутация, сначала в большом контуре с тиристорного плеча VS1 на тиристорное плечо VS7, потом в малом контуре с тиристорного плеча VS8 на тиристорное плечо VS4. Далее ток инвертора будет протекать через тиристорные плечи VS4 и VS7, чему соответствует интервал 12-13, тем самым поддерживается напряжение на выходе инвертора для ограничения тока якоря. Таким образом исключается возникновение короткого замыкания генератора.

Предлагаемый (аварийный) алгоритм управления тиристорными плечами ВИП в режиме рекуперативного торможения при пропуске импульса управления на одно из плеч инвертора не только предотвратит выход из строя электрического оборудования цепи ВИП, но и сохраняет режим рекуперативного торможения электровоза в эксплуатации.

Список источников

1. Б.А. Тушканов, Н.Г. Пушкарев, Л.А. Позднжова и др. Электровоз ВЛ85. Руководство по эксплуатации. М., 1992, 480 с.

2. Руководство по эксплуатации. Электровоз магистральный 2ЭС5К (ЗЭС5К) Ермак. ИДМБ.661142.009РЭ. - 2006.

3. Электровоз ЭП1. Руководство по эксплуатации. Том 2 в 4-х книгах. "ПК "НЭВЗ", 2006 г. - 580 с.