Электронная селективная система защиты от боксования для электровозов с зонно-фазовым регулированием напряжения

Характерной особенностью современного этапа развития железнодорожного транспорта является его работа в условиях глубокого экономического кризиса. Являясь одной из важнейшей отраслей экономики России, от эффективности действия которой зависит нормальное функционирование многих сфер производства, железнодорожный транспорт в полной мере испытывает на себе влияние инфляционных процессов, поразивших всю страну. Обвальное снижение объема перевозок, значительное удорожание материальных ресурсов и другие многочисленные факторы поставили вопрос о выживании железнодорожного транспорта как отрасли. В связи с кризисными явлениями резко обострилась проблема всестороннего снижения эксплуатационных расходов, в том числе снижение потребления электроэнергии на тягу поездов, уменьшение износа оборудования и устройств и т. д. Проблема ресурсосбережения является сегодня одной из важнейших тем исследований, проводимых учеными и специалистами железнодорожного транспорта. Вопросы ресурсосбережения проходят красной нитью через решения практически всех коллегий, совещаний руководителей различных уровней. Таким образом, в настоящее время ресурсосбережение приобрело важнейшее значение в стратегии МПС по сокращению издержек и позволяет поддерживать безубыточную работу отрасли в сложных экономических условиях. Требование снижения эксплуатационных расходов выдвигают на первый план внедрение ресурсосберегающих технологий и технологических средств, что нашло отражение в Указании МПС «О программе ресурсосбережения на 1999 год», утвержденной Постановлением коллегии МПС России от 22 — 23 декабря 1998 года № 26. Одним из важнейших факторов ресурсосбережения является экономия электроэнергии. Об этой задаче говорится в Федеральной целевой программе «Электроснабжение России», утвержденной правительством страны 24 января 1998 г., а также в отраслевой.

Программе энергосбережения на железнодорожном транспорте в 1998 -2000 и на период до 2005 г.", утвержденной указанием МПС России 9 октября 1998 г.

Наряду с экономией электроэнергии, еще одним из важных вопросов ресурсосбережения является проблема интенсивного износа колеса и рельса. Эта проблема постоянно находится в центре внимания специалистов локомотивного, путевого и вагонного хозяйств. Об актуальности данной проблемы свидетельствует то, что на многих дорогах и, в частности, на Восточно-Сибирской железной дороге интенсивность износа рельсов в конце 90-х годов возросла в 4 — 5 раз по сравнению с началом 80-х годов, причем увеличение интенсивности износа рельсов происходило как при уменьшении грузонапряженности, так и уменьшении средних нагрузок, приходящихся на ось вагона /1/. Многие железные дороги несут большие экономические потери, связанные с преждевременной сменой рельсов (на некоторых участках срок службы рельсов не превышает и одного года, как сообщается в /I/), периодическими обточками колес подвижного состава и уменьшением их ресурса.

В работах многих ученых указывается, что одной из основных причин, приводящих к увеличению износа материалов колеса и рельса, является повышенное скольжение колес тягового подвижного состава относительно рельсов в результате эксплуатации локомотивов на пределе по сцеплению и применение песка для ликвидации процесса боксования. Также повышенное скольжение колес локомотива относительно рельса приводит к увеличению расхода электроэнергии на тягу поездов /2/.

Проблемам реализации сил тяги и сцепления посвятили свои труды многие видные отечественные ученые и специалисты. Среди современных исследований необходимо отметить работы Д. К. Минова, В. Е. Розенфель-да, И. П. Исаева, Н. Н. Сидорова, О. А. Некрасова, А. А. Лисицына, Л. А. Мунгинштейна, Е. Г. Бовэ, Г. В. Фаминского, Н. Н. Меншутина,.

В. Н. Хлебникова, В. Н. Лисунова, В. О. Мелька, А. Л. Голубенко и др. Немало разработок противобоксовочных систем на уровне изобретений выполнено коллективами ученых и специалистов ВНИИЖТа, ВЭлНИИ, МГУПСа (МИИТа), ПГУПСа (ЛИИЖТа) и других железнодорожных вузов.

Создание силы тяги локомотивом неразрывно связано с реализацией сил трения (сцепления) между колесом и рельсом. Поэтому повышение мощности привода, приходящейся на каждую движущую ось, обостряет проблему защиты от боксования и юза колесных пар, поскольку силы трения в зоне контакта «колесо — рельс» не беспредельны. Необходимо отметить, что задача борьбы с боксованием возникла одновременно с созданием самодвижущихся экипажей и остается одной из центральных на всех этапах использования локомотивной тяги.

Внедрение автоматизации управления эксплуатационными режимами локомотива выдвигает повышенные требования к защите колесных пар локомотива от боксования и юза. Особенно способствует развитию боксования автоматический пуск при плавном регулировании напряжения. Если не принять специальных мер, то быстродействующая система регулирования способна поддерживать пусковой ток неизменным и при начавшемся боксо-вании, резко интенсифицируя его. Требуется не менее быстродействующая электронная система защиты от боксования колесных пар локомотива.

На сети железных дорог России остается еще довольно много локомотивов прежних лет выпуска, которые находятся в удовлетворительном техническом состоянии и выполняют основной объем перевозок. В условиях глубочайшего экономического кризиса рассчитывать на скорую замену этих локомотивов более совершенными не приходится, тем более что многие серим локомотивов не выработали свой ресурс. Особенно это относится к электровозам переменного тока с плавным зонно-фазовым регулированием напряжения, таким как ВЛ80Р, В Л 85 и ВЛ65.

Существующие системы защиты от боксования, использующиеся на указанных локомотивах, не в полной мере отвечают требованиям защиты колесных пар от боксования, в частности из-за отсутствия селективности противобоксовочного воздействия, при которой потери силы тяги, а, следовательно, и скорости будут минимальными. Таким образом, вопрос борьбы с боксованием колесных пар локомотивов, оборудованных системой плавного бесконтактного регулирования напряжения на двигателях, приобретает еще большую остроту и актуальность. Модернизация и техническое усовершенствование указанных серий локомотивов, особенно в области улучшения их тягово-энергетических качеств, позволит повысить эксплуатационные показатели этих электровозов.

Проблема борьбы с боксованием является комплексной, состоящей из двух задач, первой из которых является задача установления границы между необходимым и избыточным скольжением (собственно обнаружение боксования). Вторая и не менее важная задача состоит в поиске и реализации средств воздействия, предупреждающих или локализующих процесс.

За период существования локомотивов с индивидуальным электроприводом предложены сотни устройств обнаружения боксования и юза. В настоящее время их число стремительно растет, т. к. технические возможности реализации, в том числе и по быстродействию, значительно расширились за счет средств электроники и микропроцессорной техники. Хотя и медленно, но дело движется к тому, что высокоточные датчики боксования (юза), обнаруживающие эти ненормальные режимы на достаточно ранней стадии или даже предупреждающие их, будут созданы.

Однако остается не решенной вторая составляющая комплексной задачи борьбы с боксованием колесных пар локомотивов с электроприводомпоиск и реализация средств воздействия для прекращения боксования (юза) после его обнаружения. Дело в том, что системы электропитания и управления тяговым электроприводом на современных отечественных локомотивах, в частности на электровозах, являются групповыми, тогда как каждый ко-лесно-двигательный блок имеет индивидуальную возможность входа в режим боксования и выхода из него. Для предупреждения, локализации и выхода из боксования существуют только два пути: уменьшение вращающего момента приводного двигателя (снижение усилия тяги) или увеличение силы сцепления колес с рельсом. Наиболее рациональным способом предупреждения или прекращения боксования является снижение силы тяги на ободе боксующей колесной пары за счет уменьшения вращающего момента ее тягового двигателя. Ни одно из указанных воздействий не имеет на отечественных локомотивах адресной (конкретной для определенного колесно-двигательного блока) направленности, а наиболее целесообразный по многим параметрам прием снижения напряжения на двигателях может быть осуществлен только для всех двигателей, что приводит к значительным потерям силы тяги и, следовательно, скорости и ухудшает технико-экономические показатели работы локомотива. Также снижение напряжение на всех тяговых двигателях, как боксующих, так и не боксующих, может привести к растяжке поезда.

В данной работе сделана попытка решения второй составляющей комплексной задачи борьбы с боксованием — индивидуализации противобоксо-вочного воздействия на колесно-двигательные блоки (КДБ) электровоза после обнаружения повышенного скольжения.

Основной целью данной работы является улучшение противобоксо-вочных свойств электровозов переменного тока, оборудованных системой плавного зонно-фазового регулирования напряжения на тяговых двигателях на базе управляемых (тиристорных) преобразователей, путем решения проблемы сочетания групповых систем питания и управления тяговым электроприводом с доступной индивидуализацией противобоксовочного воздействия на каждый (по возможности) колесно-двигательный блок при боксова-нии колесных пар.

Для достижения указанной цели поставлены и решены следующие задачи: анализ противобоксовочных систем существующего парка тягового подвижного состава и определение путей повышения их эффективностипоиск и реализация оптимальных средств воздействия на боксующий КДБ для вывода его из ненормального режима работы с обеспечением селективности противобоксовочного воздействия, по крайней мере, для каждой пары КДБ электровозаисследование работы выпрямительно-инверторных преобразователей и характера изменения коэффициента мощности электровоза при действии системы защиты от боксованияразработка и экспериментальная проверка устройств защиты от боксования на локомотивах указанных выше серий.

При решении поставленных задач выбран наиболее рациональный способ локализации и прекращения боксования — снижение подводимого к тяговым двигателям напряжения и разработан способ его осуществления для указанных выше электровозов, позволяющий индивидуализировать противобоксовочное воздействие для каждой пары двигателей независимо от штатной централизованной системы управления тяговыми двигателями. Проведен анализ процессов, протекающих в выпрямительно-инверторных преобразователях электровоза при действии системы защиты от боксования. Исследовано влияние работы противобоксовочной системы на значения коэффициента мощности электровоза. Разработаны и экспериментально проверены схемные решения системы защиты от боксования. Новизна предложенных в работе идей подтверждена двумя авторскими свидетельствами на полезную модель.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

1. Противобоксовочные качества локомотива и характерные особенности процессов возникновения и развития боксования (юза) во многом зависят от структуры силовой цепи локомотива и системы управления. Эффективность противобоксовочных устройств определяется, в свою очередь, выбором параметра, на который реагирует датчик боксования (юза), а также способом прекращения боксования (юза).

2. Задача борьбы с боксованием (юзом) не ограничивается только его обнаружениемвторая и не менее важная сторона задачи состоит в поиске и реализации средств воздействия, предупреждающих или локализующих процесс. Только комплексное решение двуединой задачи может привести к желаемому результату, недооценка каждой из указанных составляющих или сосредоточение внимания на одной из них может привести к тому, что усиленный поиск и соответствующие эксплуатационные затраты на средства обнаружения боксования (юза) не будут оправданы из-за невозможности реализации алгоритмов воздействия.

3. Наиболее рациональным по многим показателям способом прекращения боксования является кратковременное снижение силы тяги на ободе боксующей колесной пары за счет уменьшения вращающего момента её тягового двигателя. В свою очередь, из рассмотренных в данной работе способов уменьшения силы тяги, наиболее предпочтительным с точки зрения ресурсосбережения, материалоемкости и экономичности является способ снижения напряжения, подведенного к тяговому двигателю боксующего колес-но-моторного блока. Применение этого способа на отечественных локомотивах далеко от совершенства, особенно из-за отсутствия адресной (конкретной для определенного колесно-двигательного блока) направленности противобоксовочного воздействия, при этом наиболее целесообразный по многим параметрам прием снижения напряжения на двигателях может быть осуществлен только для всех из них, что снижает общее тяговое усилие локомотива. Селективность противобоксовочной защиты во многом определяется схемными решениями силовой цепи локомотива, а также способами обнаружения и прекращения боксования.

4. В настоящее время имеются возможности индивидуализации управления каждым тяговым двигателем при общей групповой системе питания для отечественных электровозов с плавным зонно-фазовым регулированием напряжения. Управляемые полупроводниковые вентили открывают новые возможности в этом направлении, когда разнонагруженность тяговых двигателей можно сделать управляемой и только в те периоды времени, когда в этом есть необходимость, однако реализация этой возможности сдерживается единой системой фазового регулирования (один фазорегулятор на каждой зоне для всего электровоза). Задача может быть решена за счет выходных каскадов усилителей, формирующих управляющий сигнал открытия соответствующих тиристоров плеча преобразователя для каждого из двигателей.

5. Проведен поиск и найдено нетрадиционное решение в одной из составляющих процесса защиты от боксования — реализации средств воздействия на ненормальный режим, при этом сохранена групповая система питания многоосного тягового привода электровоза при доступной индивидуализации воздействия. Новизна результатов поиска подтверждена свидетельством на полезную модель № 7387 с приоритетом от 24 июля 1997 г. по заявке № 97 112 718, зарегистрированной в Роспатенте от 24 июля 1997 года и свидетельством на полезную модель № 11 162 с приоритетом от 9 февраля 1999 г. по заявке № 99 102 448, зарегистрированной 16 сентября 1999 г.

6. Предложено в противобоксовочной системе для электровозов с зонно-фазовым регулированием напряжения защиту от боксования осуществлять путем индивидуального снижения напряжения на тяговых двигателях боксующих колесных пар при сохранении единой системы фазового регулирования за счет незначительного изменения алгоритма управления выходными каскадами усилителей системы управления преобразователем, принадлежность которых конкретна для каждого из двигателей. При сохранении групповых систем питания и зонно-фазового принципа управления тяговым электроприводом всего электровоза удается индивидуализировать выдачу сигнала открытия плеча выпрямителя соответствующей пары двигателей, а при незначительном усовершенствовании — и для каждого из двигателей. Изменение алгоритма управления заключается в прицельном формировании сигнала запрета на выдачу управляющего импульса для открытия соответствующих тиристоров, т. е. в искусственном пропуске полуволны выпрямленного напряжения, при этом на зонах выше первой может сниматься только добавка напряжения.

7. Теоретически обоснованы технические приемы снижения напряжения на тяговых двигателях, связанные с боксующими колесными парами, при этом особенно подчеркнута необходимость высокого быстродействия на основе воздействия на электронные устройства системы управления тяговым электроприводом.

8. Проведен анализ процессов, протекающих в выпрямительно-инверторных преобразователях электровоза при действии системы защиты от боксования. Предложено для сохранения неизменной логики работы ВИПа на 1-й зоне регулирования, осуществлять подачу импульсов а0 на плечо У86 вместо плеча УБЗ в соответствующий полупериод питающего напряжения. На остальных зонах регулирования предлагается снижать напряжение на выходе преобразователя путем запрета подачи регулируемых по фазе импульсов управления на соответствующие плечи преобразователя.

9. Получены закономерности степени снижения напряжения на выходе ВИП в зависимости от периодичности пропуска полупериодов выпрямленного напряжения и фазы регулирования. Выявлено уменьшение эффективности действия системы защиты от боксования при величине угла регулирования Ор близком к Ортах. Устранить этот недостаток предложено путем пропуска выпрямленного напряжения не только находящейся в работе зоны регулирования, но и предыдущей при некотором усложнении алгоритма работы системы защиты и ее конструкции.

10. Проведен сравнительный анализ показателей коэффициента мощности электровоза при не работающей и при действующей системе защиты от боксования. Получены выражения для расчета коэффициента мощности при различной частоте пропуска полупериодов выпрямленного напряжения для всех зон регулирования с учетом начального угла открытия тиристоров а0. На основании выполненных расчетов можно заключить, что при пропуске полупериодов выпрямленного напряжения значения коэффициента мощности улучшаются по сравнению со значениями коэффициента мощности при отсутствии пропусков. В среднем, при пропуске полупериодов с частотой от каждого второго до каждого 6-го на первой зоне регулирования и от каждого первого до каждого 5-го на последующих зонах регулирования коэффициент мощности равен 0,782, что выше на 0,13% по сравнению со значениями коэффициента мощности при отсутствии пропусков полупериода. Увеличение коэффициента мощности приводит к уменьшению полного тока тяговой сети за счет снижения реактивных токов в среднем на 0,13%.

11. Разработана конструкция системы защиты от боксования, реализующая предложенный алгоритм противобоксовочного воздействия. Важным достоинством предлагаемой системы защиты является возможность индивидуализации выдачи сигнала открытия плеча выпрямителя для соответствующей пары двигателей, а при незначительном усовершенствовании — и для каждого из двигателей, при сохранении единой системы управления тяговыми двигателями электровоза.

12. Проведенные лабораторные и эксплуатационные испытания опытных образцов противобоксовочной системы подтвердили реализуемость предложенных идей и принятых технических решений.

13. Использование рассмотренной системы защиты от боксования позволяет значительно сократить расход песка (до 21% от общего расхода песка применительно к рассмотренному в работе участку железной дороги) и уменьшить тем самым негативные последствия его применения (увеличение сопротивления движению локомотива, повышенный износ материалов бандажа и рельса, имеющими место при применении песка), сократить расход электроэнергии на тягу поезда за счет уменьшения относительной скорости скольжения колес относительно рельсов (до 1,05% от общего расхода энергии применительно к рассмотренному в работе участку железной дороги), уменьшить потери силы тяги, а, следовательно, и скорости при реализации противобоксовочного воздействия, вследствие чего улучшаются технико-экономические показатели работы локомотива. Улучшение противобоксо-вочных свойств электровозов за счет применения более совершенных устройств обнаружения и прекращения боксования дает значительный экономический эффект даже без учета эффекта от уменьшения износа материалов рельса и бандажа колесной пары.

14. В результате использования предлагаемой системы защиты от боксования появляется возможность автоматического прекращения боксования наиболее выгодным во всех отношениях способом на уже эксплуатирующихся в России электровозах с плавным зонно-фазовым регулированием напряжения. Учитывая высокое быстродействие предлагаемой защиты, был рассмотрен вопрос о повышении быстродействия всей системы защиты с возможностью придания ей превентивных свойств, т. е. использование сигнала о боксовании по его приближении, а не реакции на уже начавшийся процесс. Для этой цели традиционное реле боксования становится малопригодным из-за повышенной инерционности и релейного характера выходного сигнала.

15. Предлагаемая быстродействующая защита от боксования открывает дополнительные возможности борьбы с этим ненормальным режимом с точки зрения ускорения получения сигнала и о его начале, и о его приближении, т. е. может удовлетворить условиям превентивности. Учитывая, что сама предлагаемая система ликвидации боксования может работать от любого датчика, в том числе и от существующего (РБ), открываются новые возможности повышения общего быстродействия вплоть до предупреждения боксования, что особенно важно и привлекательно.

16. Предложенные в данной работе решения позволяют создавать для эксплуатирующихся в настоящее время электровозов с плавным зонно-фазовым регулированием напряжения системы управления, построенные по принципу раздельного автоматического регулирования каждым выпрями-тельно-инверторным преобразователем (модульные схемы), при сохранении в значительной степени преимуществ групповой схемы питания тяговых машин, что расширяет возможности осуществления селективного автоматического противобоксовочного воздействия и позволяет значительно улучшить тяговые свойства локомотива. Особо следует отметить отсутствие изменений в силовой схеме электровоза при установке системы защиты от боксования, что легко позволяет осуществлять модернизацию в условиях депо. В дальнейшем на основе предложенных в данной работе решений возможно создание автоматических самоадаптирующихся систем регулирования силы тяги двигателей на пределе по сцеплению.

17. Предложенное и испытанное устройство индивидуализации воздействия при групповых системах питания в тяговом электроприводе способно решить и еще одну проблему многоосного тягового электропривода, которая остается важной до сегодняшнего дня: способность постоянно действующего различного нагружения отдельных тяговых блоков в экипаже, например, в сцепе двух или нескольких локомотивов при управлении с одного поста, причем степень разнонагруженности может быть любой и меняющейся в процессе движения.

18. Принцип индивидуализации напряжения рассмотрен применительно к электроприводу с двигателями пульсирующего тока, однако задача может быть решена и для привода с двигателями асинхронными и вентильными, поскольку вращающий момент последних напрямую зависит от приложенного напряжения.

19. Все изложенное подтверждает перспективность использования принципа индивидуализации при общей групповой системе тягового электроприводаинтерес представляет и сама идея нетрадиционного регулирования напряжения, которую можно условно назвать зонно-пересчетной (вместо зонно-фазовой). Это позволяет надеяться на продолжение поисковых исследований в данном направлении.