Управление тяговыми электроприводами

ПРИНЦИПЫ УПРАВЛЕНИЯ ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЯМИ В ЭЛЕКТРОПРИВОДАХ, КЛАССИФИКАЦИЯ СПОСОБОВ УПРАВЛЕНИЯ

Автоматическое управление тяговыми электроприводами предполагает управление динамическими и статическими режимами работы электропривода. В динамике — это режимы пуска и торможения подвижного состав. В статике — это установившиеся режимы движения, в которых изменение воздействия внешних силовых факторов незначительно или происходит в течение достаточно длительного промежутка времени. Появляется оно, прежде всего, в результате изменения, например, профиля пути (подъем, спуск, движение в кривой и т. д.). В некоторых случаях имеет место скачкообразное изменение величин внешних факторов. Так, например, при трогании с места поезда, состоящего из локомотива и вагонов, вовлечение в движение каждого из последующих вагонов приводит к возникновению ударных нагрузок в сцепных приборах и скачкообразному возрастанию сил сопротивления движению. Второй характерный случай — вхождение в туннель и выход из туннеля транспортного средства. При вхождении в туннель скачкообразно возрастают силы сопротивления движению, при выходе — они скачкообразно снижаются.

И в том и в другом случае необходимо, чтобы электрические и технологические параметры либо оставались в допустимых пределах, либо изменялись по заданным законам. В любом варианте соблюдение этою требования обеспечивается системой управления электроприводом (СУ). По характеру реакции на управляющее воздействие различают СУ:

• • неавтоматические (непосредственного управления);
• • автоматизированные;
• • автоматические.

СУ, построенные по двум последним принципам, относятся к косвенным системам управления.

Непосредственной называют такую систему управления, в которой все операции по управлению тяговыми двигателями выполняются одним аппаратом, приводимым в действие мускульной силой водителя. Этот аппарат называют силовым контроллером.

На рис. 8.1 показана принципиальная электрическая схема электрических цепей тягового привода с двигателем постоянного тока, пуск которого осуществляется посредством группового реостатного контроллера с непосредственным управлением. В положении 0 контроллера все контакты разомкнуты и ТЭД не получает питания. При установке контроллера в положение / (на позицию /) замыкаются первые контакты К1. В этом положении тяговый электродвигатель (ТЭД) получает питание через все пусковые резисторы /? 1 —/?4. При постепенном переводе рукоятки контроллера с позиции 7 на 5 происходит постепенное выведение пусковых резисторов и разгон ТЭД. На позиции 5 реостатный пуск завершается, так как все пусковые резисторы оказываются выведенными и эта позиция может быть использована для длительной работы. Все контактные элементы должны иметь дугогасительные устройства, поскольку при их размыкании в цепь ТЭД вводятся пусковые резисторы и каждый элемент разрывает цепь с током.

К косвенным групповым и смешанным системам управления относят такие системы, в которых ступени пускотормозных сопротивлений переключаются групповым аппаратом, называемым реостатным контроллером. Этим контроллером кроме выведения пускотормозных реостатов обычно ослабляют и усиливают магнитное поле ТЭД, а иногда и перегруппировывают двигатели.

Для приведения в действие косвенной системы управления применяют контроллеры косвенного управления (контроллеры водителя), требующие значительно меньших усилий, чем для приведения в действие контроллера непосредственного управления, поэтому при косвенной системе процесс управления значительно облегчается.

Сущность косвенной системы управления заключается в том, что водитель управляет на расстоянии аппаратами силовой цепи с помощью контроллеров управления или специальных устройств, рассчитанных на относительно малые токи катушек приводов контакторов, или различного вида групповых аппаратов. Параллельное соединение цепей управления отдельных тяговых единиц, входящих в состав поезда, позволяет управлять ими из одного места по так называемой системе многих единиц.

На рис. 8.2 показана принципиальная электрическая схема электрических цепей тягового привода с двигателем постоянного тока при косвенном управлении с помощью индивидуальных контакторов. Включение и выключение контакторов осуществляется контроллером управления. На позиции 1 контроллера управления получает питание подъемная катушка К 1.1 контактора К1. Включаясь, контактор К1 присоединяет ТЭД к контактной сети через пусковые реостаты R1 R4. При постепенном повороте вала контроллера управления с / позиции на 5 происходит включение контакторов К1… К5 в последовательности, определяемой схемой развертки барабана контроллера, и вывод пусковых резисторов.

Рис. 8.1. Схема электрических Рис. 8.2 Схема электрических цепей тяцепей тягового привода с двигагового привода с двигателем постояннотелсм постоянною тока с нспого тока при косвенном управлении средственным управлением В частности, в рассматриваемой схеме цепи управления питаются непосредственно от контактной сети, что допустимо при напряжении сети до 600 В. Однако, как показывает опыт, при питании цепей управления от низковольтного источника тока электрическая аппаратура работает более надежно и имеет больший срок службы.

Любой процесс управления, как известно, можно разделить на три этапа: сбор информации о ходе процессов в управляемых объектах;

обработка и анализ полученной информации и на основе этого — выработка решений (программы управления); выполнение принятых решений.

При работе электроподвижного состава на линии его электрооборудование подвергается различным воздействиям, связанным с изменениями профиля и состояния пути, колебаниями напряжения в контактной сети и цепи управления, изменениями температуры обмоток, нагрузки и т. п. Перечисленные и подобные им факторы называют возмущениями. Они вызывают изменение тока и напряжения на тяговом электродвигателе, т. е. изменяют режим движения состава и нагрузку тягового электрооборудования. Кроме того, возмущениями являются также устройства сигнализации, режим движения других транспортных единиц и пешеходов и т. п. Сбор информации по этим и другим возможным возмущениям, ее обработка и принятие решений на городском наземном транспорте пока еще не автоматизированы и выполняются водителем. Первым шагом в этом направлении стала система управления поездом при помощи автомашиниста (метрополитен).

На современном подвижном составе наземного городского транспорта автоматизированы в основном исполнительные операции процессов пуска и торможения, а также защита электрооборудования. В функции водителя входят включение, выключение процесса управления и изменение его интенсивности (изменение регулируемой величины ускорения и замедления). Операции выведения пусковых и тормозных реостатов, перегруппировки тяговых электрических двигателей в системах реостатного управления, регулирование питающего напряжения в системах импульсного управления и ослабления магнитного поля тяговых двигателей во всех системах выполняются автоматически, без участия водителя.

Системы управления ЭПС с автоматическим пуском и торможением по сравнению с неавтоматическим позволяют:

• • получить более высокие скорости сообщения благодаря возможности существенного повышения ускорений и замедлений или уменьшить расход энергии при одинаковой скорости сообщения;
• • увеличить плавность процессов пуска и электрического торможения; устранить или, во всяком случае, значительно уменьшить вероятность ударных усилий и перегрузок, которые могут возникнуть при неосторожных действиях водителя;
• • облегчить труд водителя и увеличить безопасность движения вследствие меньшей его утомляемости и возможности в большей мере сосредоточить внимание на наблюдении за уличным движением.

Аппараты систем автоматического управления можно разделить на исполнительные и управляющие.

К исполнительным аппаратам относятся контакторы, реостатные контроллеры, переключатели с косвенным приводом. Эти аппараты служат для включения и выключения, а также перегруппировки ТЭД и изменения параметров силовых цепей (выключение ступеней пускотормозных сопротивлений и сопротивлений ослабления поля ТЭД).

К управляющим аппаратам относятся контроллеры управления, реле, при помощи которых осуществляется автоматическое управление приводами исполнительной электроаппаратуры, и регуляторы, при помощи которых поддерживаются заданные режимы работы независимо от воздействия возмущений.

Поскольку при движении ЭПС основные механические характеристики — это его скорость и тяговое усилие, определяемые, как известно, источником питания и профилем пути, система управления при исполнении движения по классической схеме «пуск — выбег — торможение» может быть реализована на следующих принципах:

• • регулирование по скорости движения;
• • регулирование по напряжению на тяговом двигателе;
• • регулирование по времени (хронометрическое управление);
• • регулирование по току тягового двигателя.

Скорость движения транспортного средства однозначно определяет величину напряжения на тяговом двигателе и_ч = с", Фу. Поэтому принцип управления, основанный на регулировании скорости движения, тождествен регулированию по напряжению на ТЭД.

Для определения оптимального принципа управления проанализируем влияние основных объективных факторов на процесс разгона подвижного состава с резисторно-контакторной схемой силовых цепей. Для этого воспользуемся построениями, приведенными на рис. 8.3.

Допустим, что для выбранного номинального режима при постоянном напряжении сети получена одинаковая диаграмма реостатного пуска при всех упомянутых системах управления (диаграмма / на рис. 8.3). Эта диаграмма при системе управления в функции тока может быть получена переключением ступеней реостата в момент снижения тока до /_min.

При системе управления в функции скорости или напряжения на двигателе переключать ступени нужно в моменты, когда скорость или напряжение достигнет соответственно значений: V|(w_Mi), V2(w*2), Уз (ы_мз), v₄(w_m4), v₅(Wm₅), v₆(w_m6).

Рис. 8.3. Диаграммы различных способов пуска подвижного состава.

При хронометрическом управлении для получения пусковой диаграммы 1 ступени необходимо переключать через интервалы времени соответственно Д/i = /_ь Д/₂ = ti — t, Д/з = h ~ h, &U = U — h> = /5 — U, Д/₆ = t_b — /5 согласно кривой 2 в левой части рисунка.

Следовательно, для получения диаграммы (рис. 8.3) при системе регулирования по скорости, напряжению или времени необходимо было бы выполнять автоматическое регулирование по закону нелинейной зависимости. Из-за сложности такого регулирования, а также большей сложности измерения регулируемой величины, чем, например, измерение тока, первые два способа регулирования пускового процесса (по скорости и напряжению) не получили распространения на подвижном составе электрического транспорта.

Рассмотрим пусковые диаграммы систем регулирования по току и по времени при влиянии на них различных внешних факторов. В случае отклонения нагрузки двигателей или напряжения источника питапия от расчетного значения режим пуска протекает различно при разных системах управления.

Для системы пуска в функции тока пусковая диаг рамма не меняется при любых изменениях нагрузки ЭПС, но меняются ускорение и продолжительность пуска, как показано на рис. 8.3 слева. Кривая 2 соответствует пуску при расчетном режиме, кривая 3 — пуску при повышенной нагрузке, а кривая 4 — при пониженной нагрузке. Достоинство этой системы в том, что при пуске на тяжелом профиле ТЭД защищены от перегрузок, а при пуске на легком профиле скорость нарастает более быстро, что увеличивает скорость сообщения и снижает потери в пусковых реостатах.

При хронометрической системе продолжительность пуска остается постоянной для любой нагрузки ЭПС и профиля пути, но весьма сильно меняется нагрузка двигателей. При указанных выше интервалах времени штриховая пусковая диафамма 5 соответствует хронометрическому пуску при нафузке ЭПС, большей расчетной, а штрихпунктирная диаграмма 6 получается при нафузке, меньшей расчетной. Сравнение пусковых диаграмм У, 5 и б показывает, что хронометрическая система управления практически непригодна для пуска ТЭД, так как при большом наполнении ЭПС или на тяжелом профиле происходит перефузка двигателей по току и возможно нарушение коммутации и сцепления ведущих колес с дорогой, а при малом наполнении получаются значительно большие потери в пусковых реостатах, чем при пуске в функции тока. Если же рассчитать пусковой режим на наиболее тяжелые условия по сцеплению и по коммутации, то при нормальном режиме пуска не может быть реализовано максимальное расчетное ускорение.

Влияние этих недостатков в значительной мере может быть ослаблено при хронометрических зависимых от тока системах автоматического пуска, которые получили распространение на ЭПС с многоступенчатым пуском и реостатным торможением в тех случаях, когда фиксация реостатного контроллера на позициях затруднительна и нецелесообразна.

В двигателе с последовательным возбуждением скоростные характеристики снижаются пропорционально уменьшению напряжения в контактной сети. В этом случае при управлении в функции скорости переключение с последней ступени произойдет при токе, почти в два раза меньшем по сравнению с расчетным по пусковой диаграмме /.

Аналогичные результаты получаются в режиме торможения транспортного средства. В целях приобретения навыков в анализе пусковых диаграмм с различными принципами управления студентам предоставляется возможность произвести их построение самостоятельно.

На подвижном составе городского транспорта последних выпусков с резисторно-контакторными схемами силовых цепей получили значительное распространение групповые автоматические системы с серводвигательным приводом реостатного контроллера. В качестве серводвигателя обычно применялся электродвигатель постоянного тока мощностью 100… 150 Вт с параллельным возбуждением.

Упрощенная схема управления серводвигателем Ml контроллера и схема развертки блокировочного барабана реостатного контроллера показаны на рис. 8.4.

Рис. 8.4. Упрощенная схема управления серводвигателем.

Серводвигатель Ml выполнен с двумя обмотками возбуждения, одна из которых L2 работает при движении вала «Вперед», а другая L — для возврата вала контроллера «Назад» в первое положение. Направление вращения Ml изменяется при помощи реверсивного реле КЗ, катушка которого включается вместе с линейным контактором К2. Цепь якоря Ml получает через контакты К4.1 стоп-реле. Если имеются свободные блок-конгакты у К2, то реле КЗ можно не ставить и вместо контактов КЗ использовать блок-контакты К2. Скорость поворота вала реостатного контроллера при пуске регулируется реле ускорения. Силовая катушка реле ускорения включена в цепь тяговых двигателей, а подъемная катушка К5 — в цепь якоря Ml. Кроме того, реле ускорения обычно имеет еще регулировочную катушку (в схеме не показанную) для изменения уставки срабатывания.

При установке контроллера хода SA в положение / на позиции 1 реостатного контроллера происходит включение К2 и КЗ. Это положение контроллера хода используется для маневровой работы и кратковременных перемещений подвижного состава с малой скоростью.

В положении 2 контроллера хода после включения линейного контактора получает питание катушка К4 стоп-реле, которое контактами К4.2 разрывает цепь закорачивания якоря Ml, а контактами К4.1 подает на нее питание. При повороте вала реостатного контроллера с 1 на 2 позицию контакты К6.3, замыкающиеся в промежутке между позициями, включают цепь подъемной катушки К5, что приводит к срабатыванию реле ускорения. Через некоторое время, определяемое собственным временем поворота вала реостатного контроллера, после размыкания К6.2 и замыкания К6.3 происходит замыкание силовых контактов контроллера, выключающих первую ступень пускового реостата. При этом ток в двигателе возрастает. В зоне фиксации вала реостатного контроллера на его позиции 2 размыкаются контакты К6.3 и замыкаются контакты К6.2. Если при этом ток в тяговом двигателе превысит ток уставки реле ускорения, то якорь его не отпадет и цепь якоря М1 окажется замкнутой накоротко контактами реле ускорения и Кб.2, в результате чего М1 будет заторможен.

При росте скорости ЭПС ток ТЭД в пределах достигнутой пусковой ступени снижается. Когда он станет меньше тока, на который отрегулировано реле ускорения, якорь реле ускорения отпадет и Ml включится, после чего вал реостатного контроллера повернется на следующую позицию. В дальнейшем вес процессы протекают в таком же порядке, как это было описано ранее. При повороте вала реостатного контроллера с предпоследней (и — 1) на последнюю (п) позицию контакты Кб.5 размыкаются и питание катушки К4 прекращается. Вслед за этим отпадает якорь стоп-реле, замыкая накоротко якорь Ml, и вал реостатного контроллера затормаживается. Этим заканчивается процесс пуска электроподвижного состава.

При возврате SA в положение 0 выключаются К2 и КЗ. Через размыкающие блок-контакты К2.2 и контакты К6.6 получает питание катушка К4 и одновременно с ней через размыкающие контакты КЗ.2.

обмотка L возбуждения серводвигателя («Назад»). При этом М1 поворачивает вал реостатного контроллера в обратном направлении. После возврата вала реостатного контроллера на позицию 1 размыкаются его контакты К6.6, размыкаются контакты КЗ.2 стон-реле в цепи питания обмотки возбуждения L и замыкаются контакты К4.2, подготавливая цепь закорачивания якоря Ml. Перед размыканием контактов Кб.6 замыкаются контакты К6.4. Через них и размыкающие контакты К2.4 происходит замыкание накоротко якоря Ml; последний затормаживается и предохраняет подвижные части РК от удара об упор.

Порядок замыкания блокировочных контактов реостатного контроллера показан на рис. 8.4, б. На рисунке даны только две первые и две последние позиции реостатного контроллера. Между позициями 2 и (п — 1) порядок замыкания контактов цепи управления не меняется.

В изображенной на рис. 8.4 схеме при пуске использовалось только одно направление движения вала реостатного контроллера. При серводвигательном приводе часто используют оба направления движения вала реостатного контроллера. Например, в схемах с перегруппировкой ТЭД при последовательном соединении используют движение вала вперед, а при параллельном соединении — назад. Для управления ТЭД смешанного возбуждения при большом количестве ступеней ослабления поля также используют оба направления движения вала реостатного контроллера. В этом случае реостатный пуск производят при движении вала вперед, а ослабление поля — при движении назад.

На рис. 8.5 показана упрощенная схема управления силовыми аппаратами с использованием обоих направлений движения вала реостатного контроллера. Контроллер управления SA имеет три положения. Первое, как обычно, служит для движения ЭПС с малой скоростью при введенных пусковых реостатах, второе — для пуска при последовательном соединении и третье — для пуска при параллельном соединении ТЭД. Для движения при параллельном соединении двигателей водитель может постепенно переводить контроллер с позиции 1 на позицию 2 и затем на 3 или сразу поставить на позицию 3. При этом порядок переключения аппаратов не изменится и плавность пуска не нарушится.

Схема питания якоря Ml выполнена аналогично рис. 8.4, но исключены контакты К2.4 и К6.4. Серводвигатель имеет одну обмотку возбуждения /Л, которая подключается к источнику питания контактами К 1.1 реле времени К1, а для изменения направления движения вала реостатного контроллера используются контакты К4.3-К4.6 реверсивного реле К4. Реле К1 служит для отключения обмотки возбуждсния Ml на конечных позициях пуска после завершения торможения Ml (фиксации вала реостатного контроллера).

Рис. 8.5. Схема управления с использованием обоих направлений движения вала реостатного контроллера

При установке ходовой педали контроллера водителя SA, например, на позицию 3 сначала через контакты SA 1, Кб. 1 получает питание катушка контактора К2, затем через блок-контакты К2.2, SA2, Кб.5, К4.1 включаются реле КЗ и К1, подающие питание на Ml и вал реостатного контроллера под контролем реле ускорения поворачивается «Вперед». На последней позиции при размыкании его блок-контактов Кб.5 выключаются реле КЗ и К1 и Ml тормозится. Параллельно с этими контактами Кб.8 через контакт SA3 подается питание на катушку К7 переключателя ТЭД. После переключения двигателей на параллельное соединение замыканием блок-контактов К7.1 подается питание на катушку реверсивного реле К4. Последнее переключает обмотку возбуждения серводвигателя и снова включает КЗ и К1 теперь уже через контакт SA3 и контакты К2.2, SA3, К6.6, К4.2. Под контролем реле ускорения вал реостатного контроллера поворачивается назад. На первой позиции реостатного контроллера его блок-контактами Кб.6 разрывается цепь питания КЗ и К1 и серводвигатель тормозится. Особенностью рассматриваемой схемы является также то, что возврат реостатного контроллера производится по кратчайшему пути. Для этой цели контроллер выполняется без механического упора и его вал может поворачиваться с последней позиции сразу на первую при движении вперед. Если перед возвратом вал реостатного контроллера находится в первой половине рабочего угла (до позиции 0,5я), то через контакты К2.3, К6.4, Кб.7, К2.4 питание подается на катушку К4 и обмотка возбуждения М1 реверсируется.

Поэтому после включения КЗ и К1 через контакты К3.1 и К 1.1 якорь Ml серводвигателя и его обмотка возбуждения получают питание и он поворачивает вал реостатного контроллера назад. Если же контроллер находился дальше позиции 0,5л, то К4 не включается и возврат происходит при движении вала реостатного контроллера через последнюю позицию. Такой способ возврата снижает время подготовки системы управления к повторным пускам и торможениям. Он особенно целесообразен в тех случаях, когда при реостатном торможении используется только одно направление поворота вала реостатного контроллера.

Для подвижного состава городского электрического транспорта характерно движение с частыми переходами с одного режима работы на другой, например, с тяги на выбег, с выбега на повторный пуск уже движущегося подвижного состава со значительной скоростью и т. п.

При ТЭД последовательного возбуждения повторный пуск движущегося с большой скоростью подвижного состава можно осуществлять так же, как и пуск с остановки.

Для ТЭД смешанного возбуждения повторный автоматический пуск движущегося с высокой скоростью подвижного состава необходимо осуществлять при ослабленном поле, чтобы исключить рекуперативное торможение. В двигателях смешанного возбуждения, как это видно на рис. 8.6, все реостатные характеристики при полном поле (/_ш max) пересекаются с осью ординат в одной точке, соответствующей относительно небольшой скорости v₀, и далее продолжаются во втором.

Рис. 8.6. Пусковые диаграммы повторного пуска при полном и ослабленном полях.

квадранте. При скорости v₀ ЭДС с_еФу₀ = U_nH1 и / = 0 при любом пусковом сопротивлении. Если v > v₀ и c_t.Ov₀ > U_n«_т, то ток в тяговом двигателе меняет направление. Поэтому если пуск при полном поле производить с V|>v₀, то вначале будет осуществляться рекуперативное торможение по диаграмме а-б' и снижение скорости до величины v[ и только после перехода на ослабление поля наступает тяговый режим по диаграмме б'-в'-г'-д'. В рассматриваемом случае на предпоследней позиции при /_ш4 ток в ТЭД больше тока регулирования реле ускорения /ру. Поэтому переход на следующую позицию произойдет в точке г' после снижения тока до значения, меньшего /_РУ. Такой режим пуска с уменьшением скорости и последующим возможным резким нарастанием ускорения весьма неприятен для водителя; он неудобен для пассажиров и может значительно сократить срок службы механической передачи из-за ударных напряжений. Это явление можно исключить, если повторный пуск производить при ослабленном поле, например при токе /_ш < Ли maxВ этом случае все реостатные характеристики (штриховые кривые) проходят выше и пересекаются с осью ординат в точке, соответствующей скорости V02. Повторный пуск при гой же скорости v₀2 протекает весьма плавно согласно пусковой диаграмме а-б-е.

Выбор режима пуска (при полном или ослабленном поле) должен выполняться автоматически без участия водителя; его удобно осуществлять в зависимости от скорости. При скорости, большей v₀, когда возможно рекуперативное торможение, пуск целесообразно выполнять при ослабленном поле, а при скорости, меньшей v₀, — при полном поле. В принципе это можно сделать при помощи реле минимального тока, которое обычно называют реле выбега.

Один из вариантов схемных решений автоматизации повторного пуска с реле выбега, в качестве которого используется реле напряжения, включенное по схеме моста, одним из плеч которого является ТЭД, приведен на рис. 8.7. При v < v₀ падение напряжения I₂R2 > w_M и ток, протекающий по катушке К1, достаточен для его срабатывания. При срабатывании реле включают цепи управления контактором К5 и пуск происходит при полном поле. При скорости v > v₀ напряжение на ТЭД u_m>I₂R2 и в этом случае К1 не срабатывает, а пуск происходит при ослабленном поле тяговых двигателей.

Недостатки схемы, изображенной на рис. 8.7:

• • необходимость применять делитель напряжения на резисторах R1 и R2, мощность которых должна значительно превышать мощность реле выбега для обеспечения точности срабатывания последнего;
• • необходимость применять диод с обратным напряжением, равным максимальному напряжению контактной сети.

Реле выбега предупреждает появление толчка генераторного тока при повторных пусках, но не может влиять на скорость достижения необходимой ходовой позиции. Между тем при большом числе реостатных ступеней время их переключения может оказаться большим, что приводит к снижению величины ускорения.

Для сокращения времени повторного реостатного пуска иногда устанавливают реле баланса К2, включаемое на разность напряжения сети и тягового двигателя.

Если при большой скорости повторного пуска (рис. 8.7) реле выбега не срабатывает, то при определенной минимальной разности U_mt-U_n якорь балансного реле К2 отпадает и включает контактор К4, заканчивая реостатный пуск.

Рис. 8.7. Схема включения реле выбега в диагональ моста.

Еще большего сокращения времени повторного пуска, а также времени подготовки реостатного торможения можно достичь, применяя следящее управление реостатным контроллером во время движения на выбеге. В этом случае при возврате контроллера управления в нулевое положение реостатный контроллер возвращается к первому положению постепенно по мере снижения скорости, причем таким образом, что при повторном пуске оставшееся невыведенным сопротивление пускового реостата соответствует требуемому для данной скорости подвижного состава. Такая система управления применялась, например, на чешских трамвайных вагонах «Татра-2» и «Татра-3».

На подвижном составе городского электрического транспорта для плавного автоматического пуска и торможения применяют аппаратное регулирование с клавишными или коллекторными контроллерами.

Плавное автоматическое управление обеспечивает:

• • лучшее использование ЭПС по условиям сцепления и максимальному току ТЭД;
• • более высокие динамические показатели;
• • большую защищенность механической передачи при плавном регулировании от толчковых нагрузок;
• • улучшение условий коммутации ТЭД.

При многопозиционных клавишных и коллекторных контроллерах (исполнительных устройствах) получаются практически бесступенчатый пуск и электрическое торможение. Для таких исполнительных устройств более удобно применять непрерывные хронометрические зависимые системы управления, так как при них обеспечивается большая точность поддержания регулируемой величины.

При исследовании установившихся режимов системы плавного автоматического пуска и торможения, а также для выяснения условий статической устойчивости системы управления целесообразно пользоваться графоаналитическим методом.

Рассмотрим этот метод применительно к реостатному пуску и торможению. Для определения установившихся значений пускового и тормозного токов на одном листе и в одинаковых масштабах строят два семейства кривых:

По точкам пересечения этих кривых находят установившиеся значения пускового (тормозного) тока / и требуемую для получения этого тока скорость выведения реостатов dR/dt.

Первые кривые называют характеристиками пуска и торможения (ХПТ). Они показывают, с какой постоянной скоростью нужно выводить пусковые (тормозные) реостаты, чтобы при данной эквивалентной массе подвижного состава Л/_э и сопротивлении движению W получить желательное постоянное значение пускового (тормозного) тока. Математическое описание можно получить следующим образом. В общем случае для режима пуска баланс напряжений в цепи двигателей определяется уравнением.

где тир- количество тяговых двигателей, соединенных соответственно последовательно и параллельно.

Отсюда после дифференцирования с учетом того, что U_nur = const и / = const, получаем.

Значение dv /dt определяется из уравнения движения.

где z — общее количество тяговых двигателей;

W- суммарное сопротивление движению подвижного состава;

Л/, — эквивалентная масса подвижного состава при рассматриваемом наполнении.

Тогда.

Аналогичное уравнение для реостатного торможения, при котором тяговые двигатели работают в режиме генераторов последовательного возбуждения,.

После дифференцирования с учетом того, что / = const,.

Уравнение движение для режима торможения:

Тогда

Обобщенное уравнение можно записать в виде.

Знак «минус» принимается при пуске, «плюс» — при торможении.

На рис. 8.8 показаны характеристики пуска и торможения (ХПТ) при различных значениях нагрузки электрического подвижного состава. Все кривые даны при одинаковом удельном сопротивлении движению. Кривые /П для пуска и IT для реостатного торможения построены при нормальном наполнении, кривые 2П и 2Т — при ненагруженном, а кривые ЗП и ЗТ — при максимально нагруженном подвижном составе. Кривые 4W и 4Т построены для нормально нагруженного подвижного состава соответственно при пуске и торможении на подъеме.

Рис. 8.8. Характеристики пуска и торможения.

Кривые /П, 2П и ЗП псрссскаются с осью абсцисс в разных точках вследствие зависимости сопротивления движению от нагрузки подвижного состава. Из сравнения этих кривых видно, что скорость выведения пусковых сопротивлений dRJdt должна меняться в широких пределах не только в зависимости от величины установившегося значения

тока якоря ТЭД, но и в зависимости от нагрузки ЭПС при заданном значении тока. По абсолютной величине dR/dt изменяется тем в больших пределах, чем больше ток. Сравнение кривых УП и 4U показывает, что при увеличенном сопротивлении движению для поддержания заданного значения тока скорость выведения пусковых сопротивлений dR/dt должна снижаться, причем абсолютная величина снижения dR/dt не зависит от тока. Аналогичными свойствами обладают и кривые УТ, 2 Т, ЗТ и 4 Т.

Второе семейство кривых (рис. 8.9) изображает скорости изменения регулируемой величины в случае пускового (тормозного) сопротивления или пропорциональные им скорости поворота исполнительного устройства (вала реостатного контроллера) в зависимости от тока в тяговых двигателях. Эти кривые определяются устройствами системы управления, и называют их характеристиками системы управления (ХСУ).

Рис. 8.9. Характеристики ХСУ и ХПТ.

На рис. 8.9 показаны три вида ХСУ. Прямая У является хронометрической независимой от тока тяговых двигателей характеристикой системы управления, прямая 2 представляет ХСУ с регулированием в функции тока и кривая 3 — ХСУ, хронометрическая, зависимая от тока. Там же нанесены характеристики пуска и торможения /П, 2П и in. Точки пересечения кривых ХСУ с ХПТ определяют установившееся значение тока в ТЭД и скорость изменения регулируемого параметра (пускового сопротивления) при выбранной характеристике системы управления и данных значениях эквивалентной массы и сопротивления движению ЭПС.

Статическую устойчивость системы управления определяют по наклону ХСУ и ХПТ в точках их пересечения. Система статически устойчива, если удовлетворяется неравенство.

Следовательно, при токе, меньшем установившегося значения, ХСУ должна проходить выше ХПТ, а при токе, большем установившегося, — ниже ХПТ. Этим условиям удовлетворяют все ХСУ, показанные на рис. 8.9.

Метод наложения кривых ХСУ на ХПТ позволяет весьма наглядно выяснить пусковые и тормозные свойства систем управления.

Как уже отмечалось при рассмотрении систем автоматического управления для ступенчатого пуска, хронометрическая независимая система управления неудобна тем, что при изменении нагрузки подвижного состава и профиля пути в весьма широких пределах изменяется пусковой ток. Действительно, если скорость поворота вала реостатного контроллера (dR/dt) выбрать по условиям пуска нормально нагруженного ЭПС (точка а), то при максимальной нагрузке (точка д) получается значительное превышение пускового тока /_п.

При меньших нагрузках (точка в и ток /_в) получаются большими продолжительность пуска и потери в пусковых реостатах, чем при других системах пуска. Аналогичные явления происходят и при реостатном торможении.

ХСУ с регулированием в функции тока удобна тем, что при максимальных нагрузках и больших сопротивлениях движению исключены перегрузки ТЭД по току, а при малых нагрузках увеличивается ускорение, сокращается время пуска и уменьшаются потери в пусковых реостатах. Реальная ХСУ является не вертикальной прямой 2, а весьма круто спадающей кривой вследствие непрерывного движения вала реостатного контроллера.

Однако во многих случаях пусковой ток ограничен по сцеплению, а нс по допустимому току тяговых двигателей. В этих случаях для повышения пропускной способности участка в часы пик желательно выбрать ХСУ хронометрические, зависимые от тока, обеспечивающие увеличение пускового тока при повышении нагрузки ЭПС. При малых нагрузках чрезмерное повышение ускорения также нежелательно и целесообразно снижать пусковой ток, т. е. удобнее ХСУ хронометрические, зависимые от тока.

Кроме того, при круто спадающих ХСУ возможны нежелательные переходные процессы при подходе к установившемуся режиму пуска (торможения).

При выборе формы ХСУ учитываются также переходные процессы, протекающие в начале пуска и при изменении уставки регулятора ускорения. На рис. 8.10 показаны примерные пусковые диаграммы для трех видов ХСУ. Диаграмма I получается при хронометрической, независимой от тока системе управления, когда среднее пусковое ускорение значительно меньше установившегося, что является существенным недостатком этой системы управления.

Рис. 8.10. Пусковые диаграммы при различных ХСУ.

Диаграмма 2 получается при системе управления с весьма крутыми (близкими к вертикальным) ХСУ. При токах в гяговых двигателях, меньших тока уставки регулятора ускорения, вал исполнительного устройства вращается со скоростью, значительно превышающей скорость при установившемся режиме.

В момент приближения к току уставки скорость поворота исполнительного устройства не может измениться мгновенно. Вследствие этого выводится большее пусковое или тормозное сопротивление, чем требуется для получения установившейся величины пускового (тормозного) тока. При этом происходит превышение установившегося пускового тока (на рис. 8.10 показано пунктирной линией) тем ббльшее, чем больше превышение максимальной скорости над установившейся скоростью вращения исполнительного устройства и чем больше его момент инерции. По условиям плавности пуска и торможения для обеспечения необходимых условий комфорта пассажиров максимальная скорость поворота вала реостатного контроллера должна быть не выше скорости, при которой производная ускорения или замедления превысила бы 2 м/с³. Поэтому ХСУ с регулированием по току ограничивается хронометрической характеристикой 2', которая должна удовлетворять указанному требованию (см. рис. 8.9).

Диаграмма 3 получается при хронометрической, зависимой от тока системе управления. В этом случае, начиная с некоторого тока Д (см. рис. 8.9), по мере приближения тока в ТЭД к току уставки регулятора ускорения происходит постепенное снижение скорости реостатного контроллера. Поэтому переходные процессы протекают более плавно. Пуск заканчивается выходом на безреостатную характеристику 4.

При реостатном торможении, как известно, самовозбуждение ТЭД, работающих в режиме генераторов последовательного возбуждения, происходит медленно. Поэтому для предотвращения перерегулирования желательно снижать хронометрическую скорость поворота вала реостатного контроллера.

При любой системе управления предусматривается выбор ускорений и замедлений при помощи контроллера управления, в результате чего создается семейство ХСУ.

На рис. 8.11, а показана простейшая непрерывная автоматическая система управления, обладающая хронометрическими зависимыми от тока ХСУ. Как и любая замкнутая система автоматического регулирования, она состоит из следующих основных элементов: исполнительного устройства И У (клавишного или коллекторного группового реостатного контроллера); серводвигателя М2, который встроен в контроллер; измерительного устройства, в котором сравнивается текущее значение падения напряжения на шунте /?2, пропорциональное току в ТЭД (t/_aaT), с заданным напряжением на потенциометре R3 (t/_YCT); усилительного устройства А1, служащего для усиления и преобразования полученной в измерительном усгройстве разности напряжений AU и передачи ее серводвигателю. Измерительное и усилительное устройства образуют регулятор, который обычно называют регулятором ускорения.

Рис. 8.11. Схема (а) и характеристика (б) непрерывной системы управления с хронометрическими зависимостями оттока ХСУ Напряжение AU на входе усилительного устройства А представляет собой разность между задающим напряжением Uya на потенциометре R3 и падением напряжения ?/_лат на шунте R2:

В общем случае усилительное (преобразовательное) устройство нелинейное и инерционное. В статическом режиме напряжение на его выходе kAU, где к — коэффициент усиления. Скорость вращения серводвигателя пм2 или пропорциональная ей скорость выключения регулируемого параметра dRJdt определяется выражением.

где р = (/n_M2)(dR/dt)xcy — коэффициент пропорциональности.

При линейном усилительном устройстве (к = const) ХСУ — наклонные прямые, показанные на рис. 8.11, б. При изменении напряжения U_yст, снимаемого с потенциометра /?3, ХСУ смещаются параллельно. Наклон ХСУ определяется величиной сопротивления шунта R2. На рис. 8.11, б показаны две кривые ХСУ, отличающиеся величиной напряжения потенциометра C/ycri ^> ?Лст2- Точки их пересечения с ХПТ определяют установившиеся значения тока тяговых двигателей соответственно /| и /₂. Путем изменения напряжения потенциометра изменяется уставка регулятора ускорения и, следовательно, пусковой ток ТЭД. Недостаток системы управления с линейным усилительным устройством состоит в том, что получается весьма высокое значение (dR/dt)xсу и, следовательно, скорости вращения серводвигателя при отсутствии тока в ТЭД, например, при выбеге, когда IR2 = 0.

Оптимальная характеристика ХСУ выделена на рис. 8.11, б жирной линией. Реализовать такую характеристику можно, например, в системах с вибрационным регулятором, которые применены на трамвайных вагонах «Татра-2» и «Татра-3».