Печать
PDF

Электронная система для управления электродинамическим тормозом (КУА) для тепловозов

Тепловоз 2ТЭ116

Двухсекционный магистральный тепловоз мощностью 2250 кВт (3060 л.с.) в секции с электрической передачей переменно-постоянного тока, с электрическим тормозом в зависимости от исполнения предназначен для вождения грузовых или пассажирских поездов в различных климатических условиях. Пассажирское исполнение тепловоза отличается конструкционной скоростью, тяговыми характеристиками, наличием электродинамического или электропневматического тормоза и системы энергоснабжения пассажирского поезда.

 

На Луганских тепловозах электродинамический тормоз начал устанавливаться в 70-х годах прошлого века. Принцип работы его основан на переводе тяговых электрических двигателей в генераторный режим, при котором кинетическая энергия состава рассеивается на тормозных резисторах. Для управления тепловозом в режиме электродинамического торможения была создана специальная электронная система, которая размещалась в комплектных устройствах автоматики (КУА). Первые устройства назывались КУА-04, последующие модернизации привели к созданию КУА14У3, КУА14Б. Данные устройства разрабатывались и изготавливались в г.Харькове в НИИ завода «Электротяжмаш».

В настоящее время в ЗАО «НПЦ «Трансмаш» совместно с заводом «Электротяжмаш» разработана новая конструкция КУА14-2, которая устанавливается на тепловозы 2ТЭ116. Данная система управления изготавливается на новой элементной базе. От предыдущих конструкций ее отличают малые габариты, современный дизайн, экономичность.

КУА14-2 позволяет реализовать все требования динамики в режиме электродинамического торможения, функции защит, автоматический переход на пневматическое торможение при снижении скорости состава ниже 30 км/час, а также управление реле переходов в тяговом режиме. Требования динамики определили законы регулирования и ограничения, накладываемые на электропередачу, определили структурную схему блока и количество каналов регулирования.

КУА14-2 имеет 5 каналов регулирования: 

  • канал ограничения тока якоря Iя тяговых электродвигателей (ТЭД);
  • канал ограничения тока возбуждения Iв ТЭД;
  • канал ограничения тормозной силы F;
  • канал поддержания скорости V;
  • канал ограничения минимальной тормозной силы Fmin.

Необходимый сигнал управления формируется в процессе выделения одного максимального разностного сигнала из сигналов всех каналов, суммирования его с сигналами гибких обратных связей, усиления, преобразования полученного сигнала Uу в ток Iу и подачи его в блок управления.

Работу каналов регулирования блока рассмотрим с помощью функциональной схемы, которая приведена на рис.1. (в скобках после названия функциональных узлов даны обозначения элементов и плат по принципиальной схеме).

Канал ограничения тока возбуждения Iв.

Сигнал с датчика тока возбуждения ДТ 〈Iтв〉 в виде переменного тока поступает на преобразователь обратной связи ПОС 1 (D1, УВС), где он выпрямляется, фильтруется и нормируется до уровня 8 В при максимальном сигнале 〈Iв〉. Далее сигнал поступает на сравнивающее устройство СУ4 (D6.1, УРК), где сравнивается с сигналом задания по току возбуждения [Iв], который поступает из формирователя задания ФЗ1 (+8В). Полученный разностный сигнал U1 поступает на схему max1 выделения максимального сигнала и далее (если U1>U2, U1>U3, U1>U4, U1>U5) на вход выходного суммирующего усилителя У1 (D7.2, УРК).

У1 суммирует сигналU1с сигналами гибких обратных связей UК1 (С13,R55), UК2 (С12, R54) отрицательным смещением – К0 (R68, R71) и усиливает полученную сумму. Напряжение сигнала Uу преобразуется в ток управления Iу и поступает в блок управления БУ который регулирует ток Iв.

Канал ограничения тока якоря Iя.

Сигнал пропорциональный току якоря ТЭД 〈Iя〉 поступает на преобразователь обратной связи ПОС2 (D3.1, УВС), где нормируется, а затем поступает на вход сравнивающего устройства СУ5 (D2.1, УРК).

На второй вход СУ5 со схемы min2 (D1.2, УРК) выделения минимального сигнала поступает сигнал задания [Iя].

Сигнал задания формируется с помощью формирователя Ф3.3 (D1.1, УРК), где осуществляется операция вычитания сигнала датчика скорости из постоянного напряжения, взятого с коэффициентом (1+К5). Коэффициент К5 определяет момент начала ограничения тока Iя по коммутационной способности ТЭД, т.е. когда выходное с Ф3.3 напряжение становится меньше чем с Ф3.1 (8 В). С выхода СУ5 разностный сигнал U2 поступает на вход схемы max1 (D7.1, УРК). Далее сигнал проходит аналогично каналу ограничения 〈Iв〉.

Канал ограничения тормозной силы F.

Сигнал 〈F〉 обратной связи по тормозной силе формируется из сигналов 〈Iя〉 и 〈Iв〉 с помощью функционального преобразователя ФП.2 (D4, D5, УРК). Сигнал 〈F〉 по тормозной силе поступает на сравнивающее устройство СУ3 (D.2.2, УРК). На второй вход СУ3 подается сигнал min{[Fюз], [F]}, формируемый следующим образом.

Схема max2(V5, V6, УВС) выделяет максимальный из сигналов [Fэк] (если включено реле РЭК экстренного торможения) и сигнала [F1] (или [F2]), поступающего с переключателя ПЗТС задания тормозной силы на пульте машиниста. Максимальный сигнал со схемы max2 поступает на формирователь задания Ф3.4 (V5, V6, R3, R7, R8). Сформированный на Ф3.4 сигнал [F] подается на схему min3 (D3.2,УРК), которая выделяет меньший по величине из сигналов: [Fюз] узла задания сигнала (сигнал низкого уровня приходит, если срабатывает реле РУЮ управления юзом) и сигнала [F], сформированного с помощью Ф3.4.

Разностный сигнал U3 с СУ3 поступает на схему max1, а далее аналогично другим каналам (см. п. 1.4.4.1).

Канал ограничения минимальной тормозной силы Fmin.

Сигнал Fmin формируется с помощью функционального преобразователя ФП1 (D3.2, D6, D8.1, УВС) из сигналов 〈Iя〉 и 〈Iв〉. Далее он поступает на СУ2 (D8.2, УВС), где сравнивается с сигналом [Fmin], поступающим с Ф36 (R98, R99). Разностный сигнал U4 отСУ2 через схему min1 (D9.2, УВС) поступает на схему max1, а далее аналогично другим каналам (см.п.1.4.4.1).

Канал ограничения тока возбуждения Iв в режиме поддержания скорости.

Сигнал 〈Iв〉 через ПОС1 (D1, УВС) поступает на СУ1 (D9.1 УВС), где сравнивается с сигналом задания [Δ ΔV], формируемым следующим образом.

Сигналы с таходатчиков UV1…UV6 подаются на схему max4 (V2…V37).

Максимальный из этих сигналов попадает на ПОС4 (D6, D11, D5.2 УПЗ), где формируется сигнал [V]. Сигналы [V] и 〈V〉 поступают на СУ8 (D2.1 УВС). Разностный сигнал [ΔV] с СУ8 и блокирующий сигнал К23 (отключающий канал) подаются на схему max3, откуда максимальный из них поступает на СУ1. Разностный сигнал U5 с выхода СУ1 через схему min1 подается на схему max1, а далее аналогично другим каналам (см.п.1.4.4.1).

Процесс поддержания скорости происходит следующим образом.

При необходимости поддерживать постоянной скорость движения при торможении на уклоне машинист с помощью контроллера СС на пульте задает величину сигнала [V] задания по скорости, контролируя ее по указателю скорости [V1] (или [V2] ).

Если скорость тепловоза, а следовательно и сигнал 〈V〉, больше сигнала [V] задания, на выходе СУ8 появляется усиленный сигнал [ΔV], через схему max3 он попадает на СУ1. Если 〈Iв〉 <[ΔV], то разностный сигнал U5, а следовательно и выходное напряжение схемы min1, равно нулю. Регулирование системы при этом ведется по одному максимальному из разностных сигналов каналов ограничений Iя, Iв или F. Тормозная сила при этом велика, и скорость тепловоза уменьшается до тех пор, пока сигнал 〈V〉 датчика скорости не сравняется с сигналом [V] задания, что ведет к уменьшению [ΔV]. На выходе СУ1 появляется разностный сигнал U5, преобразуясь в сигнал Iу и воздействуя на систему регулирования, вызывает уменьшение тока Iв , а следовательно и F, что вызывает увеличение 〈V〉 до заданной.

Если скорость на уклоне ниже заданной, т.к. 〈V〉 <[V], то [ΔV] на выходе СУ8 равно 0, а следовательно напряжение U5 на выходе СУ1 максимально.

В этом случае выходным напряжением схемы min1 будет сигнал U4 с СУ2, т.е. начинает работать канал ограничения минимальной тормозной силы Fmin. Т.к. тормозная сила при этом минимальна, то скорость тепловоза в режиме ЭТ будет повышаться до тех пор, пока 〈V〉 не сравняется с [V]. На выходе СУ8 появится напряжение [ΔV], U5 станет меньше U4, и регулирование начнется по каналу ограничения тока Iв. Тормозная сила возрастает и скорость тепловоза в режиме ЭТ станет равной заданой.

Устройство защиты от аварийных режимов при отказах в системе регулирования электрического тормоза тепловоза.

Устройство защиты срабатывает при аварийных режимах, т.е. при превышении величины тока Iя и напряжения возбуждения Uв на 20% их допустимых значений. Работа устройств защиты осуществляется по двум каналам – тока Iя и напряжения Uв ТГ.

Канал защиты по току Iя представляет собой сравнивающее устройство, на один вход которого подается сигнал задания [Iя], а на второй – сигнал 〈Iяз〉, для срабатывания устройства защиты по току якоря 〈Iяз〉 = 1.2〈Iя〉. При достижении 〈Iяз〉 значения, по величине равного [Iя], на выходе СУ6 появляется разностный сигнал U6, который подается на вход схемы max5 (D10.2 УВС).

В канал защиты по напряжению Uв сигнал 〈Uв〉 поступает на СУ7 (V22 УВС) от датчика ДН напряжения через ПОС3 (D4, D5 УВС). Одновременно на СУ7 поступает опорный сигнал [Uв] от Ф37 (V24, R74 УВС) . Если сигнал 〈Uв〉 превышает опорный, то на СУ7 появляется разностный сигнал, который поступает на компаратор К1 (D7.1 УВС), разрешающий работу интегратора И (D7.2 УВС), и на вход И. Интегратор И предназначен для задержки срабатывания устройства защиты в переходных режимах работы электропередачи. С выхода И сигнал поступает на вход схемы max5 (D10.2 УВС).

Больший по величине сигнал со схемы max5 подается на выходной каскад ВК, включающий в себя электронный ключ (D7.1, V57 УПЗ), гальваническую развязку (V55 УПЗ), и мощный выходной транзистор (V57 УПЗ), включающий реле защиты.

Электронные реле.

Предназначены для формирования сигналов срабатывания и сигналов отпадания электромагнитных реле, обеспечивающих переход на пневматическое торможение (РПТ), на ослабленное поле 1-ой и 2-ой ступеней (РП1 и РП2), на режим ограничения скорости тепловоза (РО).

Схемы всех реле имеют одинаковую структуру.

Пронормированный входной сигнал по скорости 〈V〉 поступает на вход компаратора К2 (УПЗ) электронных реле РПТ (D1.1), РП1 (D2.1), РП2 (D4.1) и через масштабный преобразователь МП2 (R75, R76 УПЗ) на вход компаратора (D5.1) электронного реле РО.

На второй вход компаратора К2 поступает опорный сигнал от формирователей заданий Ф32, Ф38, Ф39 (R15, R16, R17, R18).

Если сигнал по скорости 〈V〉 превысит опорное напряжение компаратор переключается, и сигнал с К2 поступает на узел задержки УЗ. Для РПТ узел задержки используется в режиме задержки на отключение срабатывания реле и выполнен на RC звене с компаратором.

В режиме электрического торможения предусматривается:

  • Блокировка автоматического пневматического тормоза;
  • Ограничение предельно допустимых значений тормозного тока и тока возбуждения тяговых электродвигателей;
  • Автоматическое замещение пневматическим тормозом при отказе электродинамического или снижении скорости ниже 10 км\час;
  • Защита по максимально допустимому току якорей тяговых электродвигателей;
  • Защита тормозных резисторов по нагреву;
  • Исключение работы электродинамеческого тормоза в режиме экстренного торможения;
  • Исключение работы электродинамеческого тормоза при наполнении тормозных цилиндров воздухом давлением выше 1,3…1,5 кг\см2 от крана вспомогательного тормоза.

Электродинамический тормоз это одна из главных характеристик тепловозов, позволяющая улучшить динамику движения составов, уменьшить износ бандажей и, как следствие, продлить межремонтный пробег локомотивов, повысить безопасность движения на железных дорогах