Система УСТА на тепловозе ТЭМ2
Системой УСТА тепловозы ТЭМ2 начали оснащать в 2002 г. при проведении капитального ремонта на Уссурийском ЛРЗ. В настоящее время на сети дорог России в эксплуатации находится более 100 секций тепловозов ТЭМ2К, оборудованных этой системой.
Назначение системы УСТА. Унифицированная система управления электропередачей и электроприводом тепловоза осуществляет регулирование и управление электропередачей тепловоза в режимах тяги и электрического тормоза. На тепловозах ТЭМ2К система УСТА выполняет следующие функции: регулирование мощности тягового генератора (ТГ) в зависимости от частоты вращения коленчатого вала дизеля в соответствии с установленной нагрузочной характеристикой ди-зел ь- генератора;
- обеспечение гиперболических внешних характеристик ТГ при фиксированной частоте вращения коленчатого вала дизеля (заданной позиции контроллера машиниста);
- регулирование и обеспечение расчетных характеристик электрического тормоза;
- автоматическое снижение и ограничение мощности ТГ при отключении части тяговых двигателей;
управление работой контакторов ослабления возбуждения тяговых двигателей (Ш) в режиме тяги по заданным параметрам прямого и обратного переходов. Напряжение включения контакторов ослабления возбуждения — 7/8U0tc-Минимальное время между включениями контакторов LU1, ШЗ и LU2, LU4— 10 с;
защита тягового генератора от внешних токов короткого замыкания, заброса его тока свыше 1900 А или напряжения более 860 В;
защита тепловоза от боксования и юза; ограничение по току и напряжению ТГ для каждой позиции; поддержание бортового напряжения 75 ± 1 В.
В случае выхода из строя системы УСТА при переключении тумблера ТАР на режим «Аварийный» вступает в работу штатная схема возбуждения вспомогательного и тягового генераторов. Блок регулирования обеспечивает:
- прием от схемы тепловоза дискретных сигналов (от блокировок, органов управления) по 16 каналам с уровнем напряжения 75 В при входном сопротивлении каждого канала не менее 10 кОм;
- прием от измерительных преобразователей (ЭП2716) аналоговых токовых сигналов по 15 каналам с уровнем от 0 до плюс 5 мА при входном сопротивлении каждого канала 402 Ом;
- прием и обработку сигнала о положении индуктивного датчика (в схеме ТЭМ2К не используется);
- формирование питания индуктивного датчика гидромеханического регулятора дизеля (в схеме ТЭМ2К не используется);
- прием частотных сигналов по двум независимым каналам (от датчиков частоты вращения, скорости и др.);
- выдачу сигналов управления по 10 каналам (от контакторов, реле, электропневматических вентилей) с параметрами: напряжение 75 В, ток до 1 А по каждому каналу, нагрузка — активно-индуктивная;
- программное регулирование тока в активно-индуктивной нагрузке в пределах от 0 до 20 А по двум каналам (управление возбуждением тягового и вспомогательного генераторов);
- связь с отладочным оборудованием и другими устройствами по последовательному каналу RS-232 через разъем ХРЗ на плате процессора;
формирование напряжения постоянного тока 15 ± 0,5 В током до 2 А для питания датчиков ЭП2716.
Питание блок регулирования получает от бортовой сети тепловоза напряжением 75 В постоянного тока. Блок обрабатывает поступающие в него входные сигналы из схемы тепловоза и выдает управляющие воздействия в электрическую схему тепловоза согласно алгоритму управления.
Дискретные сигналы (сигналы от органов управления: тумблеров, электрических аппаратов, контроллера машиниста и др.), частотный сигнал с датчика частоты вращения коленчатого вала дизеля поступают в блок регулирования через разъем ХР1. Внешние дискретные сигналы гальванически развязаны от внутренних цепей блока регулирования. Опрос дискретных каналов осуществляется программно через каждые 0,1 с.
Датчики тока и напряжения. Замеряют электрические параметры электропередачи (аналоговые сигналы) преобразователями напряжения типа ЭП2716. Они предназначены для преобразования входного напряжения в пропорциональный токовый сигнал. Значение тока на выходе ЭП2716 (UBb,xl. иВых2) при номинальном входном напряжении на нагрузочном сопротивлении 1000 Ом составляет 5 мА.
Преобразователь имеет четыре гальванически связанные между собой входа. Номинальные значения входных напряжений по первому входу — 75 мВ (измерение тока с тепловозных шунтов), по второму — 150 В, по третьему — 1000 В и по четвертому входу — 1500 В.
Преобразователь осуществляет гальваническое разделение входного и выходного сигналов, имеет линейную зависимость выходного тока от входного напряжения. Питание преобразователи получают от блока УСТА. Опрос аналоговых каналов ведется программно через каждые 0,01 с.
Состав системы УСТА. Она содержит электронный блок регулирования УСТА (1 шт.), измерительный преобразователь тока и напряжения типа ЭП2716 (6 шт.), датчик частоты вращения коленчатого вала дизеля ДЧВ типа ВКАС21 -31-Р-2-250-ИНД-3B-S4-BT (1 шт.). Для функционирования системы в электрической схеме тепловоза дополнительно устанавливаются: электроизмерительные шунты ША5 и ША6 типа 75ШСМ-1000-0,5 (2 шт.), резистор СШВ шунтировки ключей ШИМ типа ПС-50124 (1 шт.), реле аварийной работы РАР типа РПУ-ЗМ-116Т (1 шт.).
Схема подключения системы УСТА к электрическим цепям тепловоза ТЭМ2К. Схема приведена на рис. 1. После окончания пуска (появления питания +75 В на зажиме 1/6) подается питание +75 В на внешний разъем ХР1: ВО блока регулирования. При этом -75 В поступает на контакт АО того же разъема. Дискретные сигналы КМ и КВ, П1 и П2, ТЭТ и КЭТ, ОМ1 и ОМ2, а также сигнал с датчика ДЧВ приходят на разъем ХР1.
С этого разъема питание подается на преобразователи напряжения ДТ1... ДТ4, ДН1, ДН2 и на ДЧВ (+15 В, -15 В). Аналоговые сигналы с датчиков ДТ1... ДТ4, ДН1 и ДН2 приходят на разъем XS1.
Для включения контакторов LU1, ШЗ и LU2, LU4 используются первый и второй выходные ключи, реле тормоза РТ — шестой выходной ключ и замещения тормоза ВЗТ — четвертый. «Минус» 75 В подается на контакт В5 разъема XS2.
С выходных ключей (истоков транзисторов) напряжение +75 В подается: на катушки контакторов LU1, ШЗ и LU2,
LU4 — с контактов С1 и С2 разъема XS2, на катушку реле тормоза РТ — с контакта С6 разъема XS2 и на катушку ВЗТ — с контакта С4 разъема XS2.
Когда контактор В В срабатывает, напряжение +75 В подается на контакты С1, С2, СЗ и С4 разъема ХР2, а также на сток силового транзистора канала регулирования ШИМ1. Обмотка возбуждения возбудителя подключается к истоку силового транзистора ШИМ1 через контакты В1, В2, В6 и С6 разъема ХР2. После пуска дизеля напряжение +75 В подается на контакты А4, А5, А6 и А7 разъема ХР2 и на сток силового транзистора канала регулирования ШИМ2. Обмотка возбуждения вспомогательного генератора подключается к истоку силового транзистора ШИМ2 через контакты В1, В4, В7 и С7 разъема ХР2.
Работа и размещение системы УСТА. Питание измерительных преобразователей напряжением 15 В осуществляется УСТА через разъем ХР1: В6, В7. При этом все преобразователи подключаются параллельно источнику питания. Сигналы, полученные преобразователями тока и напряжения ДТ1... ДТ4, ДН1 и ДН2 из электрической схемы, преобразовываются в аналоговые с токовым сигналом от 0 до 5 мА и подаются на разъем XS1 блока УСТА.
Для разряда э.д.с. самоиндукции активно-индуктивной нагрузки в каждом канале платы выходных ключей введены разрядные диоды. Регулируется тяговая электропередача и поддерживается напряжение бортовой сети изменением величины тока возбуждения возбудителя тягового и вспомогательного генераторов.
В блоке имеются два канала регулирования ШИМ1 и ШИМ2. Обмотки возбуждения электрических машин объединяются по минусовой шине. Плюсовые выводы обмоток возбуждения подключаются к внешнему разъему ХР2 блока регулирования. Схема подключения обмотки возбуждения управляемых электрических машин также показана на рис. 1. Резистор СШВ включается в цепь диодов, предназначенных для разряда э.д.с. самоиндукции обмоток возбуждения (активно-индуктивной нагрузки), в плате управления ШИМ. Для каждого канала регулирования предусмотрен отдельный плюсовый вход.
Регулирование тока в обмотках возбуждения электрических машин осуществляется подачей на обмотки сигнала с широтно-импульсной модуляцией. Частота импульсной последовательности составляет 100 Гц и задается программно. УСТА управляет шириной импульсов, тем самым регулируя ток, протекающий через обмотки возбуждения.
Блок регулирования системы УСТА, преобразователи напряжения и тока размещены на левой стенке ВВК. Реле РАР установлено на стенке ВВК со стороны дизельного помещения. Резистор СШВ расположен рядом со штатной панелью СВВ и СВГ. Шунты ША5 и ША6 контроля тока в параллельных ветвях
тяговых двигателей размещены на минусовой шине поездных контакторов П1 и П2.
Переход на аварийный режим. При выходе из строя блока УСТА переходят на аварийный режим работы электрической схемы. Для этого на нулевой позиции контроллера машиниста переводят тумблер ТАР в положение «Аварийная работа», а также выключают питание блока УСТА отключением тумблера на ее плате «Питание». При этом получает питание катушка реле аварийной работы РАР.
Возбуждение вспомогательного генератора и подзарядка аккумуляторной батареи. В основном режиме напряжение бортовой сети в пределах (75 ± 1 В) поддерживает система УСТА. Обмотка возбуждения ВГ подключена к выходу транзисторного силового ключа системы (ХР2: ВЗ, В4, В7, С7). Вход транзисторного ключа УСТА (ХР2: А4, А5, А6, А7) получает питание после запуска дизеля от зажима 1/6 через размыкающий контакт РАР.5. Сигнал обратной связи по напряжению вырабатывает измерительный преобразователь ДН2, на вход которого подается напряжение вспомогательного генератора ВГ.
Сигнал обратной связи по току заряда батареи вырабатывает измерительный преобразователь ДТ4, подключенный к шунту ША1. В аварийном режиме регулирование напряжения вспомогательного генератора и заряд аккумуляторной батареи осуществляются регулятором напряжения БРН-ЗВ. Переключение цепей при переходе на аварийную работу выполняется контактами РАР.1, РАР.2, РАР.4 и РАР.5.
Возбуждение возбудителя тягового генератора. Возбуждение возбудителя в основном режиме регулируется УСТА. Контактор ВВ своим силовым контактом ВВ.1 подает питание через размыкающий контакт РАР.6 на транзисторный силовой ключ ШИМ1 (ХР2: С1, С2, СЗ, С4). Независимая (в основном режиме) обмотка возбуждения возбудителя получает питание от транзисторного силового ключа ШИМ1 через шунт LUA3, минуя резисторы СВВ и СВГ.
Для возможности работы тепловоза в аварийном режиме подключение противокомпаундной обмотки возбудителя выполнено по штатной схеме ТЭМ2.
Сигналы обратной связи по току и напряжению главного генератора формируют измерительные преобразователи ДН1 (измерение напряжения главного генератора), ДТ1 (измерение тока 1 -й группы тяговых двигателей), ДТ2 (измерение тока 2-й группы тяговых двигателей) и ДТЗ (измерение суммы токов 1 -й и 2-й групп тяговых двигателей в тяговом режиме или суммарного тока обмоток возбуждения ТЭД в режиме электрического тормоза ЭТ).
Управление скоростью движения тепловоза, мощностью на валу тягового генератора и частотой вращения коленчатого вала дизеля. Увеличение скорости движения тепловоза осуществляется перемещением штурвала контроллера машиниста с 1-й позиции на последующие. Частота вращения вала дизеля измеряется датчиком ДЧВ и передается в блок УСТА (ХР1: А6, А8) для сравнения фактической и заданной частот. Когда фактическая частота вращения коленчатого вала дизеля по сравнению с заданной (дизель «давится») уменьшается, УСТА автоматически снижает нагрузку на тяговом генераторе.
В случае выхода из строя или отсутствия в схеме тепловоза датчика ДЧВ система сохраняет работоспособность, но при неисправном дизеле возможно снижение частоты вращения коленчатого вала по сравнению с заданной для каждой позиции. Для определения системой УСТА позиции контроллера и формирования заданных тяговых характеристик сигналы с контроллера машиниста поступают в блок на контакты разъема ХР1: А5, В1, В2, А4 и А1.
Управление ослаблением поля тяговых двигателей. Система УСТА включает и выключает контакторы ослабления поля LU1, LU2, ШЗ и LU4 в зависимости от позиции контроллера машиниста и напряжения тягового генератора. При этом управление указанными контакторами начинается с 3-й позиции контроллера машиниста (установлено программой управления УСТА).
Отключение тяговых двигателей. От отключателя ОМ на дискретные входы УСТА ХР1: С2, С1 поступает сигнал об отключении группы тяговых двигателей. Через вспомогательные замыкающие контакты П1 и П2 на дискретные входы системы ХР1: А2, СЗ поступает сигнал о включенном состоянии поездных контакторов. Сигнал с замыкающих контактов П1 и П2 обрабатывается УСТА только в режиме электрического торможения.
Защита от боксования осуществляется системой УСТА путем сравнения скорости нарастания или убывания токов двух групп двигателей через преобразователи тока ДТ1 и ДТ2. Программой работы системы УСТА предусмотрены три ступени защиты от боксования:
- при рассогласовании темпа изменения токов двух групп в пределах 96... 116 А/с включается первая ступень. Напряжение тягового генератора снижается с темпом 1,5 В/с;
- при рассогласовании темпа изменения токов двух групп в пределах 116... 156 А/с включается вторая ступень. Напряжение тягового генератора снижается с темпом 12,5 В/с;
- при рассогласовании темпа изменения токов двух групп более 156 А/с включается третья ступень. Напряжение тягового генератора снижается с темпом 25 В/с.
Защита тягового генератора по максимальным величинам тока и напряжения осуществляется системой УСТА согласно заданной ей программе работы.
Аварийный режим возбуждения возбудителя и тягового генератора. Аварийный режим используется для кратковременной работы тепловоза или при движении его к месту ремонта. В аварийном режиме отсутствуют: управление ослаблением поля тяговых двигателей, управление электрическим тормозом, защиты по максимальным току и напряжению, а также от боксования.
Повышение мощности тягового генератора с увеличением позиций контроллера машиниста достигается путем уменьшения сопротивления (при этом используются штатные резисторы СВВ) в цепи обмотки возбуждения возбудителя и увеличения частоты вращения коленчатого вала дизеля.
Назначение электрического реостатного тормоза. Он является дополнительным средством для остановочного торможения. Используется для торможения составов массой до 2000 т при выполнении всех видов маневровых работ на станционных путях с нулевым профилем и в подгорочном парке, а также для кратковременного регулирования торможения составов при вывозной работе без применения автотормозов на
уклонах до 5 %о в течение не более 90 с.
Основные технические характеристики электрического реостатного тормоза
Максимальная реализуемая мощность на валах ТЭД, кВт...............720
Количество тормозных позиций........................................... ...............4
Максимальное расчетное тормозное усилие, тс.............................26,7
Скоростной диапазон применения, км/ч..................................1,5 — 40
Максимальная длительность
непрерывного торможения, мин............................................... .....................................1,5 — 2
Охлаждение блока тормозных резисторов .. естественная вентиляция
Длительный ток нагрузки на тормозной резистор, А.......................300
Ограничение тока якорей ТЭД, А................................................. .....800
Ограничение тока возбуждения ТЭД (одной группы), А...................750
Минимальный тормозной ток (переход на пневматику), А...............150
Давление в тормозных цилиндрах при замещении реостатного тормоза пневматическим, кгс/см2............................................... ...............1,6 — 1,8
Состав электрического реостатного тормоза. Он содержит следующее оборудование: блок тормозных резисторов БТР-2 (1 шт.), тормозные контакторы КТ1 и КТ2 типа МК6-10 УХЛЗ (2 шт.), контакторы возбуждения КВТ1 и КВТ2 типа МК6-10 УХЛЗ (2 шт.), реле тормоза РТ типа РПУ-3-114Т УХЛЗА (1 шт.), тумблер включения электрического тормоза ТЭТ тип ТВ1 -1 (1 шт.), кнопки электрического тормоза КЭТ1 и КЭТ2 типа КЕ-021 (2 шт.), амперметры тормозного тока АЗ и А4 типа М42300, 1кА—0—1кА—1,5 (2 шт.). Кроме того, в состав реостатного тормоза входят: вентиль замещения электрического тормоза ВЗТ типа ВВ-32 (1 шт.), тормозной датчик-реле давления РДТ типа ДЕМ-102-1-02-2 (1 шт.), редуктор давления № 348 (1 шт.), переключающий клапан ЗПК (1 шт.).
Работа электрической схемы тепловоза в режиме электрического тормоза. Внимание: из условия ограничения по предельному тормозному току БТР-2 использование электрического тормоза недопустимо при скоростях локомотива свыше 40 км/ч.
Для разрешения работы тепловоза в режиме электрического торможения необходимо включить тумблер ТЭТ «Электрический тормоз». При этом тумблер ТАР «Аварийная работа» должен находиться в положении, соответствующем основному режиму работы тепловоза. Для начала электрического торможения переводят контроллер машиниста в нулевую позицию. Затем на пульте машиниста нажимают кнопку КЭТ1 или кнопку КЭТ2 на пульте его помощника.
При установленном в положении «Вперед» или «Назад» контроллере машиниста подготавливается цепь питания контакторов КВ и ВВ. Блок УСТА, получив сигнал о нажатии кнопки КЭТ1 или КЭТ2 на разъем ХР1: В4, подает питание на катушку реле РТ. После срабатывания данного реле его замыкающие контакты собирают цепь катушек контакторов КТ1 и КТ2. Через замыкающие вспомогательные контакты КТ1 и КТ2, включенные последовательно, питание поступает на катушки контакторов КВТ1 и КВТ2.
В электрической схеме предусмотрены замыкающие вспомогательные контакты КВТ1.2 и КВТ2.2, КТ1.2 и КТ2.2 в цепях питания электромагнитов ВТ1, ВТ2, ВТЗ и ВТ4 (они на рис. 1 не показаны), которые блокируют их включение и обеспечивают работу дизеля на холостом ходу в любом положении рукоятки контроллера машиниста. Если, удерживая кнопку КЭТ1 или КЭТ2, повернуть контроллер машиниста в любую из восьми позиций, то кнопку можно отпустить — тормозная схема не разберется.
Силовая схема электрического тормоза работает следующим образом. Тяговые двигатели переводятся в режим генераторов с независимым возбуждением. Электрическая мощность, вырабатываемая их якорями, гасится на тормозных резисторах. Силовые контакты тормозных контакторов КТ1 и КТ2 подключают якори тяговых двигателей к блоку тормозных резисторов, в результате чего создается цепь для протекания тормозного тока.
Так как в тормозном режиме силовые контакты поездных контакторов П1 и П2 разомкнуты, протекание тормозного тока в цепи тягового генератора невозможно. Тяговый генератор в тормозном режиме через силовые контакты контакторов КВТ 1 и КВТ2 подключен на параллельно соединенные группы обмоток возбуждения электродвигателей.
Дополнительно в каждую группу обмоток возбуждения тяговых двигателей последовательно включены резисторы СШ1 и СШЗ первой ступени шунтировки их поля. Данные резисторы в тормозном режиме введены для ограничения тока возбуждения электродвигателей и повышения напряжения тягового генератора в тормозном режиме. Противокомпаунд-ная обмотка возбудителя в тормозном режиме также оказывается включенной в цепь обмоток возбуждения тяговых двигателей, ее размагничивающее действие учтено в программе работы блока УСТА.
Для возможности работы электрического тормоза в обоих направлениях движения тепловоза изменено подключение проводов от резисторов и контакторов шунтировки поля к выводам реверсора. (На рис.1 схема реверсирования не приведена, контакты реверсора показаны условно.)
Для регулирования тормозного тока, а, следовательно, тормозного усилия, системой УСТА предусмотрены четыре тормозные позиции (табл. 1). Регулирование тока в обмотках возбуждения, а, следовательно, и тормозного тока тяговых двигателей осуществляется УСТА с учетом позиции контроллера машиниста изменением тока в независимой обмотке возбуждения возбудителя транзисторным силовым ключом ШИМ1.
Величина тормозного тока при установке контроллера машиниста на пятую — восьмую позиции соответствует четвертой. Сигналы обратной связи по тормозному току и току возбуждения тяговых двигателей формируют измерительные преобразователи ДТ1 (измерение тока первой группы ТЭД), ДТ2 (измерение тока второй группы ТЭД) и ДТЗ (измерение суммарного тока обмоток возбуждения ТЭД).
По мере снижения скорости тепловоза и, соответственно, токов якорей первой и второй групп до значений, меньших 150 А, а также при достижении суммарного тока возбуждения тяговых двигателей величины 1500 А, система УСТА подает питание на вентиль замещения тормоза ВЗТ. После срабатывания этого вентиля в тормозные цилиндры начинает поступать воздух. При его давлении более 0,8 кгс/см2 контакт датчика-реле давления тормоза РДТ размыкается.
Давление воздуха в тормозных цилиндрах регулируется редуктором давления № 348 и настраивается на величину 1,6 — 1,8 кгс/см2. Размыкание контакта РДТ приводит к отключению контакторов КВ и ВВ. Это вызывает снятие возбуждения с тягового генератора. В результате снижаются тормозные токи обеих групп тяговых двигателей, что исключает одновременную работу электрического и пневматического тормозов тепловоза.
Полная разборка схемы электрического тормоза, т.е. выключение реле РТ, происходит при отпуске кнопок электрического тормоза или установке контроллера в нулевую позицию. При этом тормозные токи и суммарный ток возбуждения обеих групп тяговых двигателей снижаются до значений, меньших 220 А. Отпуск пневматических тормозов (выключение вентиля ВЗТ) осуществляется сразу при отпуске кнопок электрического тормоза или установке контроллера в нулевую позицию без выполнения условий по минимальным тормозным токам и суммарного тока возбуждения.
Системой УСТА и электрической схемой тепловоза предусмотрено включение вентиля замещения электрического тормоза ВЗТ и переход на пневматическое торможение при следующих условиях:
- через 3 с после нажатия кнопки электрического тормоза, если по какой-либо причине не включились контакторы возбуждения КВ и ВВ;
- когда нажимают кнопку электрического тормоза, а при этом в выключенном положении находится тумблер ТЭТ;
- после нажатия кнопки электрического тормоза, если от-ключатель моторов ОМ находится в положении, соответствующем работе только одной из двух групп тяговых двигателей;
- если нажимают кнопку электрического тормоза, но по какой-либо причине хотя бы один из поездных контакторов остался во включенном состоянии;
- когда кнопка электрического тормоза была нажата при работе тепловоза в тяговом режиме;
- если продолжительность непрерывной работы электрического тормоза составила более 90 с, после чего для остывания тормозных резисторов принудительно запрещается его работа на 150 с;
- когда кнопку электрического тормоза нажимают ранее окончания времени (150 с), установленного программой УСТА на остывание тормозных резисторов;
- если по какой-либо причине в течение 1 с тормозной ток в любой из групп тяговых двигателей превысил 1000 А;
- когда по какой-либо причине в течение 1 с ток обмоток возбуждения двух групп ТЭД превысил 1800 А.
Защита от юза в режиме электрического тормоза осуществляется системой УСТА путем сравнения скорости нарастания или убывания токов двух групп двигателей через преобразователи тока ДТ 1 и ДТ2. При входе в режим юза система УСТА автоматически снижает ток возбуждения тягового генератора. Программой работы системы УСТА предусмотрены три ступени защиты от юза.
В случае рассогласования темпа изменения токов двух групп в пределах 96 — 116 А/с включается первая ступень. При этом ток возбуждения двух групп ТЭД снижается с темпом 1,5 А/с. Когда рассогласование темпа изменения токов двух групп составляет 116 — 156 А/с, включается вторая ступень, и ток возбуждения двух групп ТЭД снижается с темпом 12,5 А/с. Если рассогласование темпа изменения токов двух групп более 156 А/с, то включается третья ступень. При этом ток возбуждения двух групп ТЭД снижается с темпом 25 А/с.
(Окончание следует)
Инженеры Д.С. СПИРИДОНОВ, М.А. ЕГОРОВ, ОАО «ВНИКТИ», г. Коломна
Почта
