УДК 621.337.522
Н. Г. ВИСИН, Б. Т. ВЛАСЕНКО, А. А. СОКОЛОВ (ДИИТ)
ПОВЫШЕНИЕ НАДЕЖНОСТИ РАБОТЫ
СИСТЕМЫ СТУПЕНЧАТОГО АВТОМАТИЧЕСКОГО ПУСКА
НА ЭЛЕКТРОПОЕЗДАХ ЭР2Р, ЭР2Т И ЕПЛ2Т
Розглянутоперехідніпроцесивсиловомуколітяговихдвигунів i їхвпливнароботуступеневогоавтома -тичногопускуелектропоїздівЕР2Р, ЕР2Т i ЕПЛ2Т. Даютьсярекомендаціїщодопідвищеннянадійності ро -ботимотор-вагонногорухомогоскладу.
Рассмотреныпереходныепроцессывсиловойцепитяговыхдвигателейиихвлияниенаработуступен -чатогоавтоматическогопускаэлектропоездовЭР2Р, ЭР2ТиЕПЛ2Т. Даютсярекомендациипоповышению надежностиработымотор-вагонногоподвижногосостава.
The article examines transitional processes in the power circuit of tractive motors and their influence on the work of grading automatic starting of EMU trains ER2R, ER2Т and EPL2Т. Recommendations have been developed for increasing reliability of operations of multiple-unit rolling stock.
Расчет переходныхпроцессоввсиловойце
-питяговогодвигателя и ихвлияние на автома
-тическийпускЭР2Т.
На электропоездах постоянного тока ЭР1,
ЭР2, ЭР2Т, ЭР2Р, ЕПЛ2Т применяется ступен
-чатый автоматический реостатный пуск по
-средством силового контроллера КСП и под контролем контактного реле ускорения (РУ)
или бесконтактного реле ускорения (БРУ) со
-вместнос бесконтактным переключателемвен
-тилей. В работах [1] установлено, что при за
-мыкании контакта РУ (БРУ) при токе уставки
р.у
I =I всиловой цепитяговыхдвигателейпо
-лучает питание вентиль КСП и при повороте
егона 14° завремя 0,3…0,4 с, замыкаетсясило
-вой контактор. При этом происходит вывод ступенипусковогореостатаи возрастаниетока в силовой цепи тяговых двигателей. За время поворота КСП, из-за значительного ускорения
0,6…0,72 м/с2, происходит приращение скоро
-сти ∆V , аследовательно, ипротиво ЭДСвтя
-говых двигателях, что и приведет к уменьше
-ниютокавихцепи. Величинатока I2 согласно
[1]определяетсяпоследующейформуле:
p.y 3
2 3
1
2
e
I K
I K
t mK K π
+
= −
⎛ ⎞
⎜ σ ⎟
⎝ ⎠
, (1)
где K1 – коэффициент, характеризующий ли
-неаризацию силы тяги на данном интервале изменениятока
p.y 2 1
p.y 2
,
I I
F F
K
I I
− =
−
H
A, (2)
где
p.y
I
F – сила тяги одного тягового двигателя при I =Ip.y;
2
I
F – силатягиодноготяговогодви
-гателяпри I =I2; K2 – коэффициент, характери
-зующийлинеаризациюскорости
p.y 2
I I
V …V
p.y 2 2
p.y 2
,
I I
V V
K
I I
− =
−
M
C A⋅ , (3)
где
2
2 I
V =V – скорость при токе I2 на данной
реостатной позиции M
C ; VIp.y – скорость при
токе Ip.y наданнойреостатнойпозиции M
C .
(
)
3
пр 10 1
m Q
σ = = + γ , (4)
где mпр – приведенная масса электропоезда(кг);
γ – коэффициентинерциивращающихмасс 0,06;
поз
t – времяповоротавала КСПнаугол, прико
-тором замкнется очередной силовой контактор и выведетчастьпусковогорезистора (0,3…0,4 с).
дв
3
1 H
W F
n
K A
K
−
= , (5)
где nдв – количестводвигателейвэлектропоез
-де; W – общеесопротивление движения поезда приданнойскорости (Н)
0
W = ωQg, (6)
2 2 2
0 1,1 0,012 VI 0,000267VI
ω = ⋅ − + ; (7)
Q – весдесятивагоновпоезда, равный 575 т.
Какпоказалирасчетыпривремениповорота КСПнаочереднуюпозициюна электропоездах ЭР2Т tпоз =0, 4 с, ток в силовой цепи тяговых двигателейуменьшаетсяпо сравнениюс током установки реле ускорения при движении на площадкена 10…8 %. Поэтому можнопринять длярасчета
2 0 0,92 p.y,
I =I = I ( 8)
где I0 – токначалапереходногопроцесса.
ПриповоротеКСПнаочереднуюпозициюи замыканииочередногоконтакторауменьшается сопротивлениевцепитяговыхдвигателейиток вихцепивозрастаетпозависимости
(
)
дв( ) y.c y.c 2 t T
t t t
I I I I e
−
= − − , (9)
где
4 2
y.c p
дв 2
4
4
kc
HA t
U C V
I
R
R K Vφ
⎛ − φ ⎞
⎜ ⎟
⎝ ⎠
=
⎛ ⎞
+ + ⋅
⎜ ⎟
⎝ ⎠
, (10)
гдеUkc – напряжениевконтактнойсети 3000 В;
дв дв
p
дв 2
4
L T
R
R K Vφ
=
⎛ ⎞
+ +
⎜ ⎟
⎝ ⎠
, (11)
где Lдв – индуктивность тягового двигателя
вГн., Rp +1(n ) – сопротивление реостата при пе
-реходеКСПспозиции «n» напозицию «n+1»,
Ом; V2 – скорость при токе I2+I0, м/c; Rдв –
сопротивлениетяговогодвигателя, Ом; Kφ – ко
-эффициент, характеризующий лианеaризацию кривой намагничивания при изменении тока
с Iр.у дотока I22
2 p.y
p.y 2
B c ,
M A
I I
C C
K
I I
φ
φ − φ ⋅
=
− ⋅ . (12)
Величина магнитного потока, в результате еголианеризации ипритоке I=0 определяет
-сяпоформуле
p.y
нач I p.y
Cφ = φC −K Iφ . (13)
Для устранения проскакивания позиций си
-ловымконтроллеромво времяпусканеобходи
-мо, чтобытоквсиловой цепитяговыхдвигате
-лей за время совместного действия силовой
и подъемной катушек tсов на электропоездах
ЭР1, ЭР2Т превышал ток уставки РУ на 2 %,
т. е. равен I=1,02Iр.у.
НаэлектропоездахЭР2РиЭР2Тдляфиксации позицийКСПнеобходимо, чтобывБРУимпульс напряжения, поступающий наобщий вход тири
-сторноготриггерапоступалпозже, чем разрядит
-ся конденсатор Ci на время, пока токв силовой цепитяговыхдвигателейнепревыситтокаустав
-ки БРУ. Впротивном случаепроизойдет проска
-киваниепозицийКСП, чтоможетвызватьбуксо
-ваниеколесныхпар, аиногдаиккруговомуогню наколлекторахтяговыхдвигателей.
Произведем расчетпереходныхпроцессов в силовой цепи тяговых двигателей на электро
-поезде ЭР2Т при ступенчатом реостатном ав
-томатическомпуске.
Рассмотрим переходные процессы в цепи тяговых двигателей при самых ненадежных переходахКСПс 12-йна 13-юпозицию.
Рассмотрим расчетпереходных процессов в силовойцепитяговыхдвигателейприпереходе КСПс 12-йна 13-юпозицию.
ДлятокаРУравного Iр.у=350 A, зададимся начальнымуменьшениемтока I2 (А)
2 0,92 р.у 0,92 350 322
I = I = ⋅ = .
Определим коэффициент, характеризующий лиaнеризацию силы тяги на данном интервале изменениятока [2]
p.y 2 2
p.y 2
27132 24355 H
99, 2
350 322 A
I I
F V
K
I I
− −
= = =
− − ,
где сила тяги при полученных токах имагнит
-ныйпотокравны:
p.y 3, 42 p.y p.y 3, 42 22,7 350 27132
I I
F = Cφ I = ⋅ ⋅ = H,
2 3, 42 2 2 3, 42 22,1 322 24355
I I
F = Cφ −I = ⋅ ⋅ = H,
р.у
p.y p.y дв
3000
350 0, 2
4 4 22,7
30
kc
I
I
U
I R
С
V
− − ⋅
φ = = = В·ч/км,
2
2
2 дв 3000 322 0, 2
4 4 22,1
31
kc
I
I
U I R
С
V
− − ⋅
φ = = = В·ч/км.
Определим коэффициент, характеризующий линеaризациюотскоростиравной
p.y 2
I I
V …V :
p.y 2 2
p.y 2
8, 2 7,9 M
0,011
350 322 A c
I I
V V
K
I I
− −
= = =
где 3 p.y p.y дв 4 4 3,6 I kc РУ I I R U R I V C ⎛ ⎞ −⎜ + ⎟ ⎝ ⎠ = = φ
3000 0, 45
0, 2 350
M
4 4
7,9
3,6 22,7 C
⎛ ⎞ −⎜ + ⎟ ⎝ ⎠ = = ⋅ , 3 2 2 дв 2 4 4 3,6 I kc I I R U R I V C ⎛ ⎞ −⎜ + ⎟ ⎝ ⎠ = = ⋅ φ
3000 0, 45
0, 2 322
M
4 4
8, 2
3,6 22,1 C
⎛ ⎞
−⎜ + ⎟
⎝ ⎠
= =
⋅ .
Определимкоэффициент K3:
дв
3
1
9751 7578
20 61,3 A
99, 2 H W F n K K − − − = = = − , где
р.у p.y 27132 99,2 350 7578
H I I
F =F −K I = − ⋅ = − H,
0 1,673 575 9,81 9751
W = ω Qg= ⋅ ⋅ = H.
Расчет уменьшения тока от I=Ip.y до зна
-чениятока I2 завремяповорота силовогокон
-троллерадомоментазамыканияконтакторного элемента.
При переходе силового контроллера с одной позициинадругую, когдазамыкаетсяследующий контакторный элемент, выводится ступень ∆R
пусковогореостата, токвсиловойцепивозрастает непритоке Imin, а притоке I2 доустановивше
-госязначения.
Числовоезначение I2 находимпоформуле
p.y 3 2 3 1 2 n I K I K t mK e K + = − = ⎛ ⎞
⎜ σ ⎟
⎝ ⎠
(
)
(
)
5
350 81,3
81,3 319,8 A
0, 4 20 99, 2 6,1 10 0,011
e + − = − − = ⎛ ⋅ ⋅ ⎞ ⎜ ⎟ ⋅ ⋅ ⎝ ⎠ .
Расчет углового коэффициента линеаризо
-ваннойфункциипроизводимпоформуле
p.y 2 p.y 2 22,7 22,1 0,02 350 322 I I C C K I I φ
φ − φ −
= = =
− − .
Произведем расчет переходного процесса при переходе силового контроллера с 11-й на
12-ю позицию. Определим постоянную време
-нипоформуле:
3 дв дв дв 2 4 I L T R
R K Vφ
= = ⎛ ⎞ + + ⎜ ⎟ ⎝ ⎠ 3 20 10 0,022 c 0, 45
0, 2 0,02 31 4 − ⋅ = = ⎛ + + ⋅ ⎞ ⎜ ⎟ ⎝ ⎠ .
Произведем расчет установившегося значе
-ниятока Iусt
2 3 4 ус дв 2 4 4 kc HA I t I I U C V I R
R K Vφ
− φ = = ⎛ ⎞ + + ⎜ ⎟ ⎝ ⎠ 3000
13, 41 31
4 362,3 A
0, 45
0, 2 0,02 31 4 − ⋅ = = ⎛ + + ⋅ ⎞ ⎜ ⎟ ⎝ ⎠ .
Расчет переходного процесса рассчитываем завремя t= τ3 поформуле
( )
yc(
yc 2)
t Tt t
I t I I I e
−
= − − .
Расчетпроизведемдлявремениравного 0,01
t= с, t=0,02 с, t=0,05 c:
(
0,01)
362,3(
362,3 322)
0,0220,01 345, 4 AI = − − e− = ,
р.у
1,02I 375 A
< = ,
(
0,04)
362,(
362,3 322)
0.0220.04 355,6 AI = − − e− = ,
(
0,05)
362,3(
362,3 322)
0,0220,05 358 AI = − − e− = .
По результатам проведенных расчетов ви
-дим, что на электропоездах серии ЭР2Т при ступенчатом автоматическом реостатном пуске наблюдается проскакивание позиций при переходесилового контроллера с 12-й на
13-юпозицию.
Рассмотрим работу бесконтактногореле ус
-корения (БРУ) ипереходные процессы в сило
Рис
.
Сх
ема
бе
сконтактног
о
ряда
ускор
ения
и
пер
екл
ючения
При применении БРУ, при значении тока
всиловой цепитяговых двигателейравный то
-ку уставки, например, Iр.у=350А поступает импульс напряжения на общий вход тиристор
-ноготриггераивыключаетсятиристор VS1 или
2
VS взависимостиот позицийпереходаРССП.
При включении, например, VS1 создается цепь обратнойсвязи
( )
1 1 1 2 5 1
20В C R V C C VS
⎡+ − − − − … − − − ⎤
⎣ ⎦
и происходит зарядка конденсатора C 1 с на
-пряжения 16 Вдонапряжения 20 В.
Определим время зарядкиконденсатора C . 1
Уравнениепереходногопроцесса:
( )
( )
( )
1 1 ус 1 СВоб
C C t C
u t =u t +u t , (14)
( )
1 ус 20
C t
u t = B
( )
1 СВоб pt
C
u t =Ae− , (15)
где
1
p T
= , (16)
( )
20 ptc
u t = +Ae− (17)
при t=0, u tc
( )
=16 B, подставляя в формулу(4) получим 16 20= +A, тогда A= −4. Тогда функция u tc
( )
, формула, приметвид( )
20 4 ptc
u t = − e− . (18)
Найдем время зарядки конденсатора по формуле:
1 экв
T=R C , (19)
экв 1 2 5
1 1 1 1 1 6,5 1
1 5,5 5,5
C =C +C …C = + = mkφ (20)
экв 1
0,846
C = мкФ,
где C1=1, C2…C5=5,5 мкФ, 330R= ОM.
Времязарядкиконденсатора иоператор «р»
будутравны:
6 6
33 0,846 10 28 10
T = ⋅ ⋅ − = − − с,
6
1
35714 28 10
p= − =
⋅ .
Тогдафункция u tc
( )
, формула (16), приметвид:( )
20 4 35714t cu t = − e− ,
а это значит что заряд конденсатора происхо
-дит практическимгновенно иегоучитывать не следует.
Приэтомпроизойдет, из-задействияобратной связи (см. рис.), снятие импульса напряжения
собщеговхода, итиристор VS2, из-запредусмот
-реннойзадержкинаеговключение, невключится.
При заряде конденсатора C2…C5 почти мгно
-венно, и при наличии в его цепидиода V1, нач
-нетсяразрядконденсатора C1, последующейце
-пи
( )
1 8 1
C C
u R u
⎡+ − − − ⎤
⎣ ⎦ позависимости:
( )
20 разрt T c
u t e
−
= − , (21)
где Tразр – постояннаявремениразрядаконден
-сатора C1;
3 6
разр 8 1 620 10 1 10 0,62
T =R C = ⋅ ⋅ ⋅ − = с. (22)
Времяразряда конденсаторадо напряжения
16 Вопределяетсяизсоотношения (24):
( )
1
1,6
20 t 16
C
u t = e− = при t=0,14 c. (23)
При этом, из-зауменьшениятока всиловой цепи тяговых двигателей, напряжение с датчи
-ка тока уменьшитсяи напряжение на C1 будет меньшечем 20 В.
Определим превисит ли ток в цепитяговых двигателей ток уставки БРУ к моменту, когда конденсатор C1 зарядитсядо 16 В, стем, чтобы не поступал импульс напряжения вновь на об
-щий входтиристорного триггераи не получил питание тиристор VS2, что привело бы к про
-скакиваниюпозицийКСП.
Как показали вышеприведенные расчеты ток всиловой цепитяговыхдвигателейвозрас
-тает до тока уставки БРУ от значения I2 за время tперех≥0,03 с.
Такимобразом, общеевремяотмоментана
-чала разрешения перехода КСП, до момента времени, когдаток всиловой цеписозначения
2
I превыситтокустановкиБРУ Iyctсоставляет:
пов перех 0, 4 0,03 0, 45
t t= +t = + = с,
где tпов – время, закотороевалКСПповернет
равное 0,4 с; tперех – времязакотороевозрастет токсозначения I2 дозначения·1,02Iр.у.
Так как время разряда конденсатора C1
значительно меньше необходимого, то есть
1раз 0,14 0, 45
C
t = < =t с, то при 0,14t= с, поя
-вится импульс напряжения на общий вход ти
-ристорного тригера и произойдет проскакива
-ниепозиций КСП, чтоможет вызвать боксова
-ние колесных пар, срабатывание защиты, а в некоторых случаяхприведетк круговому огню наколлекторахтяговыхдвигателей.
Длятого, чтобы конденсатор C1 разрядился за время t=0, 45 c необходимо заменить со
-противление R8 =620 кОм на сопротивление
8 2000
R = кОм.
Тогдаразряд конденсатора C1 будет проис
-ходитьпоследующейзависимости:
( )
1
25
20 20 16
t t
T C
u t = e− ∗ = e− = В, (24)
где
6
8 1 2000 103 1 10 2,5
T =R C⋅ = ⋅ ⋅ ⋅ − = с. (25)
Из расчета следует, что время разряда кон
-денсатора C1 c напряжения 20 Вдонапряжения
16 Впроисходитза 0,45 с, тоестьравновремени полногоповоротаКСПнаочереднуюпозицию.
Притакомсоотношениивремени всегдабу
-дет обеспечена надежная фиксация всех пози
-ций КСП под контроллем БРУ и, следователь
-но, надежная работа системы ступенчатого ав
-томатического пуска на электропоездах посто
-янноготока.
Следуетзаметить, чтокмоментудействияоб
-ратнойсвязиконденсаторы C2…C5 или C6…C9
должныбытьобязательноразряжены.
Определим время разряда конденсатора
2 5
C …C . Постояннаявремениразрядаравна:
2 5
3 6
1 2 5 750 10 5,5 10 0,004
C C
T … =R C⋅ … = ⋅ ⋅ ⋅ − = c,
6 9
3 6
4 6 9 750 10 5,5 10 0,004
C C
T … =R C⋅ … = ⋅ ⋅ ⋅ − = с.
Разряд конденсатора происходит на преды
-дущейпозицииКСП, черезсопротивление R1.
Времяразрядаконденсаторовравно:
2 5 6 9 5 0,004 0,02
C C C C
t t= … =t … = ⋅ = с.
То есть всегда разряжены конденсаторы
2 5
C …C и C6…C9 к моменту действия обрат
-ной связи. Определим время разряда конденса
-тора C10 при подаче импульса напряжения на общий вход, когда VS1 былоткрыт, а VS2 нач
-нетоткрываться.
Конденсатор C10 был заряжен до напряже
-ния
10( 0) 110
C
U = , а его разряд до 0 произойдет позависимости
( )
10 10(0) 110 0
t t
T T
C C
u t =u e− = e− = ,
гдеТ – постояннаявремениразряда конденса
-тора C10
6 3
1 10 33 1 10 0,033 10
T R C− = ⋅ ⋅ − = ⋅ − c,
где C10=1мкФ; R1=33Ом.
Времяразрядаконденсатора
3
10разр 5 5 0,033 10
C t = T = ⋅ ⋅ − =
3
0,16 10− 160
= ⋅ = мкс,
т. е. больше 100 мкс и поэтому тиристор VS1
будет надежно закрыт и двойное питание ка
-тушек PK1 и PK2 электропневматического приводаРешетовабудетисключено.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙСПИСОК
1. Висин Н. Г. Некоторые вопросы улучшения системы автоматическогоуправления наэлек -тропоездах // ТрудыДИИТа. – М.: Транспорт, 1965. – Вып. 54. – С. 72–76.
2. Правила тяговыхрасчетов для поездной рабо -ты. – М.: Транспорт, 1985.
