СПОСОБ ПОВЫШЕНИЯ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ ПОКАЗАТЕЛЕЙ ЭЛЕКТРОВОЗА ПЕРЕМЕННОГО ТОКА И КАЧЕСТВА ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ЭНЕРГИИ НА ТОКОПРИЕМНИКЕ ПРИ ЕГО РАБОТЕ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ

Способ предназначен для использования на электроподвижном составе и относится к алгоритму управления исполнительным устройством - выпрямительно-инверторным преобразователем напряжения.

Применение тиристорных выпрямителей в статических преобразователях электровозов однофазно-постоянного тока (иная формулировка однофазного синусоидального тока промышленной частоты 50 Гц) в России и за рубежом дало возможность производить управление коллекторными тяговыми двигателями путем плавной регулировки напряжения на них. Это осуществляется изменением моментов отпирания соответствующих плеч выпрямительно-инверторного преобразователя (ВИП-4000) электровоза в пределах периода питающего напряжения [1,4].

Однако эксплуатация таких электровозов наряду с достоинствами силовых схем тиристорных преобразователей выявила и ряд их недостатков по сравнению с электровозами, оборудованными неуправляемыми полупроводниковыми диодами. Вопросы надежности работы технических средств электровозов всегда были актуальными, и им уделялось большое внимание в научных исследованиях [1].

Согласно штатному алгоритму работы системы управления электровозов с плавным регулированием напряжения (ВЛ80Р, ВЛ85 и другие электровозы с тиристорными преобразователями), коммутация тока всех ВИП обеих секций происходит одновременно. В момент начала коммутации часть обмоток тягового трансформатора каждой секции электровоза начинает работать в режиме короткого замыкания. Одновременное начало коммутации всех преобразователей обусловливает резкое уменьшение напряжения на токоприемнике. Однако мгновенного снижения напряжения не происходит, так как вследствие наличия в тяговой сети распределенных индуктивностей и емкости возникают свободные колебания напряжения (первый закон коммутации) [4, с.115].

Известен способ управления тиристорными преобразователями электровоза [2], с применением разрядного диодного плеча, позволяющий снизить электромагнитные колебания напряжения в зоне естественной коммутации (основой коммутации). Но при использовании данного алгоритма задачу улучшения качества напряжения в контактной сети удалось решить только при протекании основной коммутации тока тиристоров плеч ВИП, а при фазовом регулировании на каждой зоне свободные колебания остались без изменения и могли в амплитуде достигать напряжения питающей сети.

Наиболее близким техническим решением стал способ разнофазного управления (РФУ), предложенный сотрудниками Всероссийского научно-исследовательского института железнодорожного транспорта (ВНИИЖТ), заключающийся в разнесении во времени начал, а также окончаний коммутации различных групп преобразователей (на 8-9 электрических градусов по углам α₀ и α_р). В теории это должно было позволить снизить вынужденный скачок напряжения при включении и выключении каждой группы преобразователей и амплитуду свободных колебаний напряжения на токоприемнике [3].

Однако на практике способ, предложенный ВНИИЖТом, не получил распространения ввиду наличия существенных недостатков.

Основные недостатки существующего способа РФУ:

- разнофазность управления достигается постоянным увеличением угла открытия тиристоров преобразователя на 8-9 электрических градусов (как по углам α₀, так и по α_р), а это, в свою очередь, значительно снижает внешние характеристики преобразователя (ВИП);

- снижение коэффициента мощности электровоза при реализации предлагаемого алгоритма;

- мощность электровоза в часовом и продолжительном режиме несколько ниже, чем при типовом способе управления, происходит и некоторое снижение скорости;

- постоянство сдвига угла открытия тиристоров преобразователя на 8-9 электрических градусов не дает полного эффекта снижения высокочастотных колебаний напряжения контактной сети из-за изменения индуктивности и емкости тяговой сети (в зависимости от удаления от тяговой подстанции).

Известен блок управления выпрямительно-инверторным преобразователем (БУВИП-133) [4, с.123], содержащий каркас блока, электронные кассеты управления, зажимы для подключения устройства диагностики, предназначен для управления ВИП-4000.

Однако блок имеет недостаток связанный с одновременным коммутированием тиристорных плеч всех ВИП-4000 электровоза. Таким образом возникающие при этом коммутационные и послекоммутационые колебания имеют высокую мощность.

Предлагается способ РФУ с использованием разрядного диодного плеча, позволяющего отказаться от использования в алгоритме управления α_рфу (угла сдвига фаз при РФУ) для α₀, и с использованием адаптивной системы, а также с совместным применением способа двухконтурной одновременной коммутации плеч тиристоров ВИП (фиг.3). Предлагается производить задержку управления плечами преобразователя равной полупериоду собственных колебаний напряжения тяговой сети.

Адаптивная системы разнофазного управления (АРФУ), являющаяся дополнением к БУВИП-133, предназначена для создания сдвига фаз (α_ррфу) по углу регулирования (α_р), относительно двух ВИП с целью взаимного наложения возникающих колебаний напряжения и их снижения.

АРФУ должно обеспечивать реализацию управления в соответствии с представленным новым алгоритмом управления (фиг.4).

Функциональная схема АРФУ приведена на фиг.1. Система содержит следующие блоки:

- блок управления (БУ), содержащий нормирующий усилитель, блок питания датчика, блок аналого-цифрового преобразователя (АЦП), цифровые фильтры, блок расчета задержки и блок программируемых таймеров;

- два блока ключей (БК), содержащий входной блок согласования, блок входных усилителей и блок реле;

- блок питания (БП), блоков БУ, БК, который включает в себя узел входных преобразователей для сигналов тяга/рекуперация (т/р) и синхронизации.

Принципиальная схема подключения АРФУ к цепям электровоза приведена на фиг.2.

Блок управления БУ предназначен для преобразования сигнала датчика, его фильтрации, выделения максимальной гармоники, расчета времени задержки от номера гармоники, задержки сигналов управления ВИП на расчетное время, а также осуществляет управление остальными узлами АРФУ и содержит плату сбора, передачи и обработки информации разнофазного управления ВИП электровоза (на базе микропроцессора типа ADuC842BS) (фиг.1). БУ содержит следующие элементы:

- разъем для программирования конфигурационной памяти ПЛИС;

- разъем для связи с остальными блоками АРФУ;

- разъем для подключения датчика напряжения;

- разъем для связи блока с компьютером и программирования микропроцессора;

- операционные усилители типа OP27FG, преобразующие токовые сигналы от датчика в напряжения, усиления их до уровня, необходимого для работы аналого-цифрового преобразователя (АЦП);

- источник опорного напряжения, с которым сравнивается напряжение от нормирующего усилителя, и АЦП формирует соответствующий цифровой код;

- микропроцессор типа ADuC842BS, включающий в свой состав АЦП, блок программно реализованных цифровых полосовых фильтров, настроенных на 15, 17, 19, 21, 23 гармоники сетевого напряжения, блок выделения максимальной гармоники, блока вычислений, который по заданному алгоритму рассчитывает времена задержки переключения плеч ВИП в зависимости от номера гармоники, узел формирования сигнала управления реле;

- Программируемая логическая интегральная схема (ПЛИС) типа XC2S30-VSQ100-6I, содержащая программируемые таймеры для формирования полученного времени задержки, логический блок, который управляет работой таймеров, обрабатывает сигналы Т/Р и синхронизации и формирует сигналы управления переключением плеч ВИП;

- микросхема памяти типа XCF01S, обеспечивающая хранение прошивки конфигурации ПЛИС на время отключения питания;

- микросхема типа ADM232AARW, представляющая собой стандартный формирователь интерфейса RS-232 для связи с компьютером и программирования микропроцессора;

- микросхемы типа IN74HC245D - буферные усилители, усиливают сигналы от ПЛИС для передачи на БК;

- микросхемы типа LM217 - стабилизатор напряжения для питания ПЛИС и микросхемы памяти;

- генератор, который формирует тактовые импульсы заданной частоты для работы ПЛИС.

Работа БУ-001 в режиме тяги электровоза заключается в следующем: при включении питания происходит перезапись конфигурации из микросхема памяти типа XCF01S в ПЛИС. По приходу импульса синхронизации процессор выдает сигнал на включение реле и записывает в ПЛИС нулевые задержки. По приходу импульсов управления от БУВИП происходит их трансляция без задержки на выходные усилители и на СФИ ВИП. Одновременно с этим происходит считывание данных с датчика напряжения и расчет задержки импульсов управления фазовых углов на соответствующие плечи ВИП.

По окончании расчета и формирования очередного импульса синхронизации от датчика напряжения LVS-100 происходит запись в таймеры блока управления либо нулевых, либо расчетных задержек фазовых углов регулирования, в зависимости от номера полупериода. По окончании времени задержки фазовые импульсы управления выдаются на выходные усилители. При сборе схемы рекуперации соответствующий сигнал от цепей электровоза поступает в БУ и переключает реле на прямое прохождение сигналов от БУВИП к СФИ ВИП без задержек (режим рекуперативного торможения является штатным).

Блок ключей БК (2 шт.) предназначен для гальванической развязки АРФУ-001 от цепей электровоза, усиления сигналов до величины, необходимой для работы СФИ ВИП, коммутации сигналов между входом и выходом и содержит входной блок согласования и блок входных усилителей (фиг.1).

Функционально БК-001 состоит из четырех одинаковых блоков входных формирователей и восьми блоков выходных ключей, он содержит следующие узлы:

- разъем, предназначенный для связи с другими блоками системы;

- разъем, предназначенный для связи с цепями электровоза;

- оптроны типа ADuM1400AARW для гальванической развязки выходных усилителей от БУ;

- источник питания гальванической развязки;

- оптроны типа АОuМ1400ААRW для гальванической развязки входных сигналов от цепей электровоза (блоки входных формирователей);

- восемь выходных усилителей (блоки выходных формирователей);

- восемь реле, предназначенных для прямой подачи сигналов на плечи ВИП при неисправности системы разнофазного управления и работе в режиме рекуперации.

Блок питания БП предназначен для формирования напряжений, необходимых для работы системы АРФУ и гальванической развязки сигнала Т/Р от цепей электровоза (фиг.1).

Блок БП-001 содержит следующие узлы:

- разъем, предназначенный для связи с другими блоками системы;

- разъем, предназначенный для связи с цепями электровоза;

- оптроны типа HCPL4503 для гальванической развязки сигналов тяга-рекуперация (Т/Р) и синхронизация от цепей электровоза;

- модуль типа WPN20R48SC, представляющий из себя двухполярный импульсный источник питания с выходным напряжением +15В и -15В, предназначен для питания аналоговых узлов системы АРФУ;

- модуль типа WPN20R48S05C, представляющий из себя импульсный источник питания с выходным напряжением +5В, который обеспечивает питанием цифровые микросхемы системы АРФУ;

- модуль типа WPN20R48SC, представляющий собой двухполярный импульсный источник питания с выходным напряжением +15В и -15В, предназначенный для питания датчика напряжения типа LVS-100.

Созданная адаптивная система разнофазного управления ВИП электровоза позволяет независимо от места расположения электровоза на фидерной зоне (изменения параметров контактной сети) максимально уменьшать амплитуды искажающих напряжение гармоник, соответствующих частотам этих колебаний, что ведет к снижению коэффициента искажения синусоидальности кривой напряжения и, в целом, к повышению качества электрической энергии в контактной сети.

Для того чтобы внешняя характеристика преобразователя снижалась незначительно, необходимо так же как и в способе-прототипе [3] чередовать отклонения регулируемого угла для каждой секции в разные полупериоды (фиг.4).

Работа предлагаемого алгоритма (фиг.4) заключается в следующем.

На 1-й зоне регулирования:

На первый ВИП секции электровоза в первый полупериод питающего напряжения на тиристорное плечо VS3 и VS6 подается импульс управления α_р, a на соответствующее плечо второго ВИП подается импульс α_ррфу. На α₀ задержанный импульс не подается, т.к. отрицательный участок напряжения замыкается на разрядное диодное плечо и этим снижает коммутационный скачок напряжения [3]. Во второй полупериод, для того чтобы не снижалась внешняя характеристика преобразователя, наоборот, на первый ВИП на тиристорное плечо VS4, VS5 подается импульс управления α_ррфу, в то же время на второй ВИП на эти же плечи подается импульс α_р (фиг.4).

На 2-й зоне регулирования:

На первый ВИП в первый полупериод питающего напряжения на тиристорное плечо VS1 подается импульс управления α_р, а на соответствующее плечо второго ВИП подается импульс α_ррфу. Во второй полупериод, для того чтобы не снижалась внешняя характеристика преобразователя, наоборот, на первый ВИП на тиристорное плечо VS2 подается импульс управления α_ррфу, в то же время на второй ВИП на это же плечо подается импульс α_р (фиг.4).

На 3-й зоне регулирования:

На первый ВИЛ в первый полупериод питающего напряжения на тиристорное плечо VS3 подается импульс управления α_р, а на соответствующее плечо второго ВИП подается импульс α_ррфу. Во второй полупериод, для того чтобы не снижалась внешняя характеристика преобразователя, наоборот, на первый ВИП на тиристорное плечо VS4 подается импульс управления α_ррфу, в то же время на второй ВИП на это же плечо подается импульс а_р (фиг.4).

На 4-й зоне регулирования:

На первый ВИП в первый полупериод питающего напряжения на тиристорное плечо VS1 подается импульс управления α_р, а на соответствующее плечо второго ВИП подается импульс а_ррфу. Во второй полупериод, для того чтобы не снижалась внешняя характеристика преобразователя, наоборот, на первый ВИП на тиристорное плечо VS2 подается импульс управления α_ррфу, в то же время на второй ВИП на это же плечо подается импульс α_р (фиг.4).

При реализации данного алгоритма используется также способ двухконтурной одновременной коммутации (коммутация большого и малого контуров реализуется одновременно, без участия плеч тиристоров ВИП предыдущих зон регулирования напряжения) (Фиг.3).

Предлагаемый способ реализации РФУ позволит исключить вышерассмотренные недостатки.

Технический результат при реализации предлагаемого способа снижения послекоммутационных колебаний напряжения на токоприемнике электровоза:

- повышается качество напряжения в контактной сети;

- продлится срок службы изоляции электрических машин и аппаратов;

- повысится надежность работы устройств сигнализации, централизации, блокировки (СЦБ), автоматической локомотивной сигнализации непрерывного действия (АЛСН), системы управления преобразователями электровоза, релейной защиты, автоматики, связи и вычислительной техники.

Источники информации

1. Тихменев Б.Н., Кучумов В.А. Электровозы переменного тока с тиристорными преобразователями. - М.: Транспорт, 1988. - 311 с.

2. Способ управления многозонным выпрямителем однофазного переменного тока. Пат. №2322749, Рос. Федерация: МПК Н02М 5/42 / №2006140957/09; заявл. 20.11.06; опубл. 20.04.2008.

3. Кучумов В.А., Находкин В.В., Широченко Н.Н. Технико-экономические показатели тиристорных электровозов переменного тока с разнофазным управлением // Вестник Всероссийского научно-исследовательского и проектно-конструкторского института электровозостроения. 1987, №3, С.15-18.

4. Электровоз ВЛ85: Руководство по эксплуатации / Б.А.Тушканов, Н.Г.Пушкарев, Л.А.Позднякова и др. - Москва: Транспорт, 1995. - 480 с.