Электродинамический тормоз электровозов ЧС200 (66Е)

Электровозы типа ЧС200 предназначены для использования в пассажирском движении на главных магистралях при скорости движения до 200 км/ч. Высокие скорости движения, обусловливают повышенные требования к системе электродинамического торможения. Высокая мощность тяговых двигателей создает предпосылки для выполнения такого тормоза. Основой электродинамического тормоза электровоза ЧС200 является система, уже разработанная и испытанная в эксплуатации на электровозах ЧС2^Т.

Силовая часть электродинамического тормоза электровоза ЧС200. Каждая секция двухсекционного электровоза ЧС200 имеет собственный, независимый электродинамический тормоз. Схема включения силовой части этого тормоза по существу такая же, как и на электровозах ЧС2^Т. Некоторые изменения ее были вызваны различиями в электровозах ЧС200 и ЧС2 .

Каждая секция электровоза ЧС200 является четырехосной, т. е. имеет четыре тяговых двигателя. Импульсный преобразователь РМ2 работает на нагрузку, состоящую только из четырех обмоток возбуждения тяговых двигателей. Напряжение, поступающее на импульсный преобразователь, снимается, как и прежде, с отводов двух тормозных реостатов и батареи электровоза. Напряжение батареи в тормозном режиме равно 50 В (на электровозе ЧС2^Т оно составляет 100 В).

Более высокая мощность тяговых двигателей, равная 1000 кВт, обусловливает и более высокие токи импульсного преобразователя. Номинальные токи якоря и возбуждения в режиме торможения составляют 715 А. В соответствии с этим уменьшилось сопротивление тормозного рео стата. При токе якоря 715 А тормозная мощность электровоза равна 7000 кВт. Кратковременное увеличение токов якоря в режиме торможения до 850 А позволяет повысить тормозную мощность до 10 000 кВт.

Повышение тока возбуждения и расширение пределов напряжения питания импульсного преобразователя от 30 до 500 В вызвали некоторые изменения импульсного преобразователя. Импульсный преобразователь РМ2 выполнен по схеме, аналогичной схеме преобразователя РМ1 (см. рис. 17): изменены лишь параметры некоторых элементов.

Вместо тиристоров SKT170 использованы тиристоры CS239 фирмы Brown-Boveri, которые характеризуются значительно большей способностью нагружения по току при одинаковых динамических параметрах. Увеличена емкость коммутирующего конденсатора до 3 X 90 мкФ, а емкость фильтрующего конденсатора до 4800 мкФ. Однако, чтобы сохранить длительность одного периода колебательной цепи Ы-С4, индуктивность Ы соответственно уменьшена.

Управляющий регулятор. Более высокие требования, предъявляемые к электродинамическому тормозу электровоза ЧС200, отразились также и на исполнении управляющего регулятора. Новый регулятор RLS5 выполнен на элементах и функциональных узлах регулятора RLS1 (см. рис. 18) с небольшими изменениями и дополнениями.

Основными узлами RLS5 (рис. 38) являются регуляторы тормозной силы F_M и тока возбуждения F/_B, которые дополнены регулятором ограничения тока якоря F1 _я, блоком управляющей логики LO, вспомогательными цепями РО и новым элементом-регулятором ограничения максимальной температуры тормозных резисторов F_v.

Новое исполнение меняет характер процесса регулирования. Вместо тока якоря, как это было на электровозах ЧС2^Т, на электровозе ЧС200 регулируется тормозная сила: электродинамический тормоз создает тормозную силу, пропорциональную давлению воздуха в тормозном трубопроводе практически независимо от скорости движения электровоза. В регулятор с учетом сцепления введена очень слабая зависимость уменьшения тормозной силы при повышении скорости.

Применение регулятора ограничения максимальной температуры тормозных резисторов дает возможность повышать тормозную силу электровоза. Регулятор позволяет увеличивать ток якоря выше номинального вплоть до значений, при которых действительная температура тормозных резисторов окажется равной максимальной допустимой. Это существенно повышает тормозную силу, особенно в начале режима экстренного торможения, а также обеспечивает длительное повышение тормозной силы в условиях низких температур охлаждающего воздуха. Регулятор /> одновременно выполняет функцию защиты тормозных резисторов от токов перегрузки. По конструкции регулятор РЬБ5 аналогичен регулятору РЬБІ.

Работа регулятора тормозного момента основана на том же принципе, что и регулятора ограничения тормозной силы на электровозе ЧС2^Т. Отличаются лишь постоянные коэффициенты, которые определяются новым типом тяговых двигателей, и способ обработки регулирующего отклонения. Регулятор ограничения на электровозах ЧС2^Т начинал влиять на процесс регулирования лишь после того, как значение тормозной силы превышало установленный максимум, регулятор /’м электровоза ЧС200 изменяет тормозную силу непрерывно в зависимости от заданного значения. Сигнал о заданном значении тормозной силы подается в регулятор от пневмо-электрического преобразователя ЬиЫ такого же, как и на электровозах ЧС2^Т второго выпуска. В регуляторе имеется еще один вход для прямого управления им, например, от регулятора скорости (сигнал

Рис 38. Структурная схема управляющего регулятора РЬБ5

Сигнал на выходе регулятора Е_м соответствует заданному значению тока возбуждения. Он поступает на вход регулятора тока возбуждения Е/_в аналогично регулятору тока возбуждения на электровозе ЧС2^Т (отличается лишь схема ограничения максимального тока возбуждения).Надежность работы импульсного преобразователя обеспечивается связью, которая эффективно ограничивает максимальное значение тока возбуждения до тех пор, пока напряжение импульсного преобразователя не станет выше 200 В. Для более высоких значений напряжения ток возбуждения ограничивается номинальным значением, т. е. 715 А.

Блок управляющей логики выполняет те же самые функции, что и в регуляторе ИБЭЕ Объединение сигналов о состоянии защит в один и включение информации о скорости движения электровоза в сигнал о состоянии силовой части в режиме торможения уменьшили число входных сигналов, из-за чего несколько упростилась схема этого блока.

Регулятор 77 я обеспечивает ограничение максимального тока якоря, сравнивая действительное значение максимального из токов якорей с заданным ограничением. Пока действует регулятор />, а температура тормозных резисторов ниже максимальной допустимой, токи якорей ограничены значением 850 А. Если температура повысится до максимальной допустимой, максимальное значение тока якоря будет уменьшаться так, чтобы температура тормозных резисторов далее не повышалась. Если же регулятор Е<* не работает, то ограничение токов якорей автоматически устанавливается на номинальное значение 715 А.

Новым элементом в управляющем регуляторе ИЬБб является регулятор Е<* ограничения температуры пускотормозных резисторов (рис. 39). На пуско-тормозных резисторах укреплены термопары 1 и 2 из сплава железа и кобальта. Термопары находятся под потенциалом контактной сети, поэтому сигнал, который с них снимается, необходимо преобразовать - уменьшить его потенциал до потенциала на корпусе электровоза. Это выполняют изоляционные преобразователи ИП1 и ИП2 типа С0Р4. Напря жение, снимаемое с термопары, в преобразователе сначала усиливается усилителем Ус, затем подается на вход импульсного модулятора М. Модулированный импульсный сигнал передается изоляционным трансформатором Тр1 в цепи, находящиеся под потенциалом корпуса электровоза. Сигнал со вторичной обмотки трансформатора Тр1 в преобразователе Я преобразуется из импульсного по положению в импульсный по длительности, который и является основным выходным сигналом изоляционного преобразователя. Кроме этого импульсного сигнала, с выхода преобразователя в схему компенсации КТ поступает сигнал непрерывный, несущий информацию о температуре преобразователя, что необходимо для компенсации действительной температуры холодного конца термопары. Изоляционный преобразователь СЮР4 питается напряжением переменного тока 24 В, 550 Гц.

В преобразователе имеются цепи питания переменным током (от управляющего регулятора), содержащие трансформатор Тр2 и выпрямители В1 я В2 с фильтрами.

Кодированный импульсный сигнал с выхода преобразователя С0Р4 преобразуется в аналоговый демодулятором ДМ1 (ДМ2). После коррекции в зависимости от действительной температуры холодного конца термопары, выполняемой схемой компенсации КТ1 (КТ2), получается сигнал, соответствующий действительной температуре пуско-тормозных резисторов. Пуско-тормозные резисторы в каждой-секции выполнены в виде двух одинаковых блоков. В рабочем режиме измеряется температура обоих блоков-соответственно и 'О'г- На вход регулятора Т⁷/_я и вспомогательных цепей РО подается сигнал Т, содержащий информацию о значении максимальной из измеренных температур. Выбор наибольшего значения выполняет элемент Т_тах.

Регулятор Т⁷# оснащен собственной схемой контроля Элемент сравнения ЭС выдает на выходе разность температур КТ первого и второго блоков. В условиях нормальной работы разность КТ очень мала. При неполадках в тепловой системе или в системе измерения, т. е. в случае неисправностей в силовой цепи, в системе охлаждения одного из резисторов, либо в цепях измерения (1, ИП1, ДМ1, КТ1, 2, ИП2, ДМ2, КТ2) значение КТ резко возрастает. Блок В вырабатывает абсолютное значение КТ. При значениях |Д7’( ¦< 1,5 В, которым соответствует разность температур меньше 150° С, на выходе переключателя К2 будет сигнал 1, а при больших значениях |ДТ’| - сигнал 0.

Рис. 39 Структурная схема регулятора F$

Переключатель по уровню Kl реагирует на сигнал 0 более высокой из температур. При значениях Т > 0,6 В, что соответствует температуре 60° С, на выходе К1 будет сигнал 1, а при меньших значениях Т - сигнал 0.

Схема И формирует сигнал Z как результат умножения выходных сигналов переключателей К1 и К2. Сигнал 1 на выходе схемы И вызывает в регуляторе Fi _я повышение тока с 715 до 850 А. Таким образом, возникнет ли какая-либо неисправность, в результате которой разность температур пуско-тормозных резисторов превысит 150° С или сигнал о температуре резисторов будет 0, максимальный ток якоря автоматически ограничивается до 715 А. Только, если силовая цепь, система охлаждения и оба контура для измерения температур в порядке, токи якоря могут быть повышены в зависимости от температуры резисторов. В режиме тяги данные о этой температуре используются для их защиты. Если температура превышает максимальную допустимую, то сигнал Т вызывает выключение главного выключателя.

Наличие регулятора F& дает возможность максимально использовать тормозные резисторы, причем как в режиме торможения, так и в режиме тяги обеспечивается их защита от повреждений при перегрузках.

Вспомогательные цепи РО были также несколько изменены. Из вспомогательных цепей первоначального варианта была изъята схема сигнализации о готовности к работе силовой части и переходу в режим электрического торможения, т. е. кассета 203М. Оставлены схема индикации отпирающих импульсов для тиристоров (кассета 501), взаимные связи между электродинамическим и пневматическим тормозами (кассета 223А, на электровозе ЧС2^Т она обозначена 221А)и источник питания управляющего регулятора (139Е). Дополнительно введены следующие цепи: обратной связи управления, на выходе которой появляется сигнал, когда требуемое значение тормозной силы больше 20%F_max (это соответствует давлению 0,7 кгс/см²); цепь реализована с помощью второй кассеты 223А;

обратной связи управления, выходной сигнал которой несет информацию о том, что в режиме экстренного торможения мгновенное значение тормозной силы, создаваемой электродинамическим тормозом, больше максимальной, которую может обеспечить тормоз пневматический; цепь рализована кассетой 224А, которая отличается от кассеты 223А (221 А) только уровнем переключения;

сигнализации о превышении максимальной температуры пуско-тормозных резисторов; цепь реализована кассетой 225А, которая отличается от кассет 221 А, 223А и 224А только уровнем переключения;

индикации входных дискретных сигналов; на лицевой стороне рамки кассеты находятся лампы световой индикации каждого входного сигнала; эта кассета позволяет в любое время легко проверить наличие управляющих сигналов, поступающих от электровоза в управляющий регулятор.

Блок источников питания содержит, кроме главного источника 139Е, вспомогательный 186Е для питания схемы компенсации температуры холодного конца термопары в регуляторе Е<>, а также источник 152Е для питания цифровой индикации пусковых позиций и позиций ослабления возбуждения в цепях управления электровозом.

Периферийные устройства и диагностика. Периферийные устройства электродинамического тормоза электровозов ЧС200 выполнены так же, как на электровозах ЧС2^Т. В ка честве преобразователя давления воздуха в тормозной магистрали использован преобразователь LUN; для измерения тока возбуждения служит безындуктивный шунт.

Трансдукторный измерительный комплект для токов A-MPN-04 в отличие от A-MPN-03 вместо шести токов измеряет четыре и имеет выходы для подключения измерительных приборов токов якоря, расположенных на пульте машиниста. Блок питания регулятора RLS5, датчика и трансдукторов такой же, как и на электровозах ЧС2^Т.

Периферийные устройства электровоза ЧС200 дополнены блоком МК.Р1 проверки электродинамического тормоза. По принципу действия и схемному решению он аналогичен кассете 112G диагностического комплекта DGL-01 электровозов ЧС2^Т. Выход блока, однако, рассчитан на более высокую мощность. Такой блок установлен на каждой секции электровоза ЧС200 и дополнен вспомогательным реле. Вспомогательное реле во время каждой проверки электродинамического тормоза электровоза подключает блок к его управляющим и измерительным цепям. На пульте управления в кабине машиниста на электровозе ЧС200 нет, однако, прибора, который бы показывал значение тока возбуждения тяговых двигателей в режиме торможения. Поэтому во время проверки с помощью блока МКР1 ток возбуждения преобразуется в пропорциональное ему значение тока в калибровочных обмотках трансдукторов, измеряющих токи якоря. Таким образом, на пульте управления отклонения стрелок приборов, измеряющих токи якорей, будут пропорциональны току возбуждения. Одновременно данные об имитированных токах якоря поступают на вход регулятора тормозной силы F_M, регулятора тока якоря F і _я и вспомогательных цепей, работа которых при этом также проверяется.

Система диагностики электродинамического тормоза электровоза типа ЧС200 аналогична такой системе на электровозах ЧС2^Т. Более сложное исполнение управляющего регулятора RLS5 обусловило большую сложность и больший объем блока переключения пределов измерения и имитации регулирующих сигналов. В регуляторе RLS5 блок переключателей может помещаться в разных местах субблоков, что расширяет возможности его использования. При проверке управляющего регулятора RLS5 используется также блок МКР1. Операции, связанные с диагностикой электродинамического тормоза электровоза ЧС200, практически не отличаются от подобных на электровозах ЧС2^Т.

К основным преимуществам системы электродинамического (реостатного) тормоза относятся:

большая тормозная мощность, обусловленная полным использованием номинальной мощности тяговых двигателей, иногда с кратковременным превышением ее, и соответственно значения тормозной силы, превышающие тормозную силу, создаваемую пневматическими тормозами;

независимость всей системы от наличия напряжения в контактной сети, причем расход электроэнергии на возбуждение тяговых двигателей покрывается энергией торможения;

универсальность системы, позволяющая применять ее на электровозах и тепловозах всех типов с двигателями постоянного тока;

высокое качество регулирования тормозной силы или мощности; при этом система регулирования достаточно универсальна, и для применения ее на электровозах различных типов необходимо лишь изменить постоянные коэффициенты регулятора; отсюда вытекает возможность унификации систем электродинамического тормоза.

Указанные преимущества подтвердились как при испытаниях опытных образцов, так и при эксплуатации электровозов ЧС2^Т, ЧС200 и 55Е. О высоком использовании мощности при работе электродинамического тормоза свидетель-ствиют следующие данные. У электровозов ЧС2^Т в режиме тяги часовая мощность равна 4620 кВт, длительная 4080 кВт, а в режиме торможения 4410 кВт; у электровозов ЧС20О в режиме тяги часовая мощность равна 8400 кВт, длительная 8000 кВт, а в режиме торможения кратковременная мощность составляет 10 000 кВт и длительная 7000 кВт. Зависимости, приведенные на рис. 40, показывают, что силы тяги и торможения близки особенно при высоких скоростях движения.

Рис. 40 Пусковые и тормозные характеристики электровоза ЧС200

Рис. 41. Зависимость тормозных путей и времени торможения электровоза ЧС2^Т от начальной скорости торможения

Эффективность электродинамического тормоза наиболее полно подтверждается сравнением длины тормозного пути 7 и времени торможения t электровоза в случае применения этого тормоза (рис. 41) и пневматического. При остановочном

Рис. 42. Осциллограммы процесса перехода из режима тяги в режим экстренного торможения с начальной скоростью 160 км/ч (электровоз ЧС2^Т):

Win - требуемое значение тока якоря в режиме торможения; /_я - действительное значение тока якоря; /в - действительное значение тока возбуждения, Д, Г - дискретные сигналы от цепей электровоза на управляющий регулятор (см рис 18) торможении с максимальной скорости 160 км/ч электродинамическим тормозом I = 1150 м, что почти на 500 м, т. е. на 30%, меньше, чем при использовании пневматического тормоза. Эффективность электродинамического тормоза повышается с увеличением начальных скоростей торможения. Тормозной путь электровоза ЧС200 в режиме реостатного торможения с максимальной скорости 200 км/ч составляет 1700 м. В случае пневматического торможения с давлением в тормозных цилиндрах Р_тц - 3,8 кгс/см² тормозной путь при этой скорости составляет около 3000 м, т. е. увеличивается почти в 2 раза. В случае двухступенчатого скоростного режима торможения (1-я ступень со скорости 200 км/ч при Р_Тц - 3,8 кгс/см² и 2-я ступень со скорости 80 км/ч при Р_Тц ¦= 6 кгс/см²) длина тормозного пути снизилась до 2300 м. Однако при этом происходит повышенный износ тормозных колодок и увеличивается тепловое напряжение колесных пар электровоза.

Применение электродинамического тормоза с плавным автоматическим регулированием тормозной силы не только значительно облегчает работу машиниста, но и обеспечивает также наиболее полное использование области тормозных характеристик и дает возможность подключать его к различным системам автоведения.

Динамику системы регулирования, примененной на электровозе ЧС2^Т, характеризуют осциллограммы рис. 42. Переход из режима тяги в режим экстренного торможения производится с ограничением крутизны нарастания тормозной силы, вследствие чего процесс торможения протекает плавно.

Устойчивая работа электродинамического тормоза существенно зависит от надежности электронной аппаратуры управления. Расчетное значение надежности управляющего регулятора ДЬ81 составляет одну неисправность на 70 000км пути, в действительности на электровозах типа ЧС2^Т первого выпуска наблюдалась одна неисправность на 142 000 км. По сравнению с надежностью остального оборудования электровозов, особенно с контактными элементами (реле), полученная величина вполне допустима.

Таким образом, универсальный электродинамический тормоз «Шкода», его система регулирования, принцип обработки сигналов могут быть основой не только для систем торможения, но и вообще для электронных систем всех электровозов «Шкода»,