Регулятор скорости для электровоза ЧС2К с индивидуальными электропневматическими контакторами реостатного пуска

Железные дороги являются одними из основных транспортных артерий нашей страны, ими выполняется более половины общего грузооборота и треть пассажирских перевозок в стране [1,2, 3]. Однако, крайне недостаточные объемы поставок локомотивов, вагонов и другой новой техники, низкие качественные и экономические показатели еще используемого, но не выработавшего свой ресурс оборудования вызывают серьезные затруднения в нормальном функционировании железнодорожного транспорта. В условиях дефицита финансовых средств Российское Агентство Железнодорожного Транспорта разработало и осуществляет специальную программу повышения эффективности работы железнодорожного транспорта, одной из главных мер которой является снижение эксплуатационных расходов железных дорог, оснащение их более мощными и надежными локомотивами.

Особенно остро стоит вопрос с пассажирскими электровозами постоянного тока, которые в России не строятся вообще. На сегодняшний день инвентарный парк таких электровозов состоит из электровозов серии ЧС2. На железных дорогах России их парк составляет 613 единиц со средним возрастом эксплуатации 28 лет. Исходя из установленного нормативного срока службы электровоза 30 лет, к 2004 году выработают его все электровозы серии ЧС2. Все это свидетельствует о том, что без принятия в ближайшие годы радикальных мер по восстановлению эксплуатационных свойств пассажирских электровозов постоянного тока при отсутствии поставок новых электровозов могут возникнуть серьёзные проблемы по обеспечению пассажирских перевозок.

Наиболее экономичным способом решения проблемы переоснащения парка электровозов является программа производства нового вида ремонтаКРП. После проведения капитально-восстановительного ремонта с продлением срока службы магистральных пассажирских электровозов серии ЧС2 должно быть обеспечено: продление срока службы на 20 летэксплуатация со скоростями движения до 160 км/чвосстановление прочностных свойств кузова и тележекснижение эксплуатационных расходов за счет уменьшения трудоемкости технического обслуживания и ремонта, повышение эксплуатационной надежностизамена импортных комплектующих и усовершенствование узлов электровозамаксимальное обновление деталей и оборудования. В частности в ходе проведения работ в силовую схему электровоза ЧС2 были внесены существенные изменения, а именно применение в схеме переключения тяговых двигателей электропневматических контакторов и разделительных диодов, также полностью был переукомплектован пусковой реостат.

Наряду со сменой электрического и механического оборудования при КРП устанавливают микропроцессорную систему управления (МПСУ) с новыми алгоритмами и программами управления. В этих системах применяют элементы высокой степени интеграции. Поэтому в состав МПСУ входит небольшое число элементов, благодаря чему снижается не только потребляемая мощность всей системы, но и повышается уровень надежности, что приводит к уменьшению затрат на обслуживание и ремонты. МПСУ электровоза выполняет автоматическое управление электроприводом и электрическими аппаратами в режиме тяги, предусматривает защиту по боксованию, повышенному или пониженному напряжению, перегрузке тяговых двигателей. При этом система автоведения, входящая в состав МПСУ, осуществляет пуск и разгон поезда с учетом экономии электроэнергии, что нередко приводит к длительному движению на реостатных позициях, что недопустимо. Поэтому разработка новой системы автоматического регулирования скорости является актуальной задачей.

В данной работе предлагается дополнить существующую систему автоведения регулятором скорости, который взял бы на себя все функции, связанные с набором позиций, а система автоведения управляла бы регулятором, задавая интервал скоростей движения (максимальную и минимальную) по участку пути в соответствии с расписанием, профилем пути и рациональным энергопотреблением.

ЦЕЛЬ РАБОТЫ.

Целью настоящей диссертационной работы является разработка системы автоматического регулирования скорости электровоза постоянного тока с индивидуальными электропневматическими реостатными контакторами, с учетом особенностей ступенчатого пуска, а также требований к изменению ускорения движения в переходных режимах.

МЕТОДИКА ИССЛЕДОВАНИЙ.

В работе использовался метод имитационного моделирования электромагнитных процессов в силовой цепи электровоза постоянного тока ЧС2К с помощью программного пакета Ма^аЬ.

НАУЧНАЯ НОВИЗНА РАБОТЫ.

— разработана математическая модель электровоза постоянного тока ЧС2К, учитывающая процессы, протекающие в силовой части электровоза и позволяющая имитировать выведение пусковых сопротивлений и переключение ходовых позиций;

— выполнена проверка адекватности модели и существующего локомотива на основе реальных данных, полученных при испытаниях электровоза ЧС2К;

— на основе сравнительного теплового расчета установлено, что предлагаемый новый вариант компоновки пускового реостата обеспечивает большую равномерность температур нагревания элементов секций по сравнению с существующим вариантом и снижение максимальной температуры нагрева;

— разработана модель силовой схемы с учетом разброса времен срабатывания электропневматических контакторов, выполнено статистическое моделирование этого параметра, определены характеристики случайных величин токов и напряжений и их длительностей;

— разработана новая структура регулятора скорости для электровоза с релейно-контакторным управлением, обеспечивающая необходимую последовательность действий при переключениях реостатов и ходовых позиций для поддержания заданного интервала скорости движения.

ПРАКТИЧЕСКАЯ ЦЕННОСТЬ.

Проведенные исследования позволили:

— разработать программный комплекс для расчета переходных электромагнитных процессов в силовой цепи электровоза постоянного тока ЧС2К;

— установить, что разброс температур нагрева секций нового пускового реостата снижается, и уменьшаются максимальные температуры нагрева по сравнению с существующим пусковым реостатом;

— установить допустимый диапазон разброса времен срабатывания электропневматических контакторов;

— разработать структуру и выбрать параметры регулятора скорости для электровоза с релейно-контакторным управлением.

ПУБЛИКАЦИИ.

По результатам исследований опубликованы четыре печатные работы.

ОБЪЕМ И СТРУКТУРА РАБОТЫ.

Диссертация состоит из введения, четырех глав, списка литературы из 60 наименований, заключения и приложений. Работа содержит 188 страниц, в том числе 112 страниц машинописного текста, 7 таблиц, 6 страниц списка литературы, 63 страниц приложений.

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ ПО РЕЗУЛЬТАТАМ РАБОТЫ.

1. Разработанная модель силовой цепи электровоза ЧС2К отражает основные особенности релейно-контакторных систем управления, реализуемых на электровозах постоянного тока.

2. Вид расчетных кривых электромагнитных процессов соответствует экспериментальным данным, что свидетельствует об адекватности разработанной модели.

3. Результаты сравнительных расчетов по нагреву секций пускового реостата, выполненных для существующей и предлагаемой схем компоновок, свидетельствуют о целесообразности применения предлагаемой схемы компоновки на электровозе ЧС2К.

4. Результаты расчетов по влиянию разброса времен включения электропневматических контакторов показывают, что при диапазоне такого разброса от 0,050 до 0,150 с, значительно уменьшаются импульсы тока и их длительности практически на всех соединениях тяговых электродвигателей, что повышает работоспособность этих контакторов.

5. Регулятор скорости для электровоза с релейно-контакторным управлением целесообразно реализовать программно в виде пяти логических элементов, обеспечивающих набор позиций на всех соединениях тяговых электродвигателей, переход с одного соединения на другое, и вывод ступеней ослабления возбуждения на ходовых позициях.

6. При сравнительных расчетах трогания и разгона электровоза ЧС2К с регулятором скорости применительно к двум вариантам компоновки пускового реостата выявлены преимущества предлагаемой схемы компоновки: реализация более высоких величин пускового тока, силы тяги и ускоренияснижение величины производной от ускорения, т. е. осуществление более плавного пускаснижение времени на разгон поезда до максимальной заданной величины.

7. В результате работы предложена новая структура системы автоматического управления электровозом ЧС2К, содержащая автоматический регулятор скорости, выполняющий вывод пусковых сопротивлений и переход на ходовые позиции для реализации заданного диапазона скорости движения, поступающего от системы автоведения.