Системы управления маршрутным электротранспортом

Трамвай. Подвижной состав трамвая в зависимости от конкретных условий эксплуатации подразделяется (условно) на три группы: для обычных городских линий; для обычных городских и совмещенных с ними скоростных линий (универсальные вагоны); для специализированных скоростных линий на обособленном полотне (вагоны скоростного трамвая). Для каждой из указанных групп разработан типоразмерный (типажный) ряд трамвайных вагонов нового поколения.
Питающей сетью трамваев является сеть постоянного напряжения 550 В. Вагоны рассчитаны на скорость движения до 70 км/ч.
При создании трамвайных вагонов нового поколения применяется унифицированное тяговое электрооборудование — частотно-регулируемый асинхронный тяговый привод (АТП), транзисторно-импульсные системы управления (ТИСУ), программируемые контроллеры, позволяющее повысить тягово-энергетические и эксплуатационные показатели подвижного состава трамвая с сохранением модульного принципа проектирования и общих принципов планировки пассажирского помещения.
В тяговом электроприводе (ТЭП) старых трамваев большое распространение получил реостатный регулируемый электропривод постоянного тока, хорошо согласующийся с питающей сетью трамваев. Такой привод обладает плохими энергетическими и эксплуатационными характеристиками. Один из оптимальных способов реконструкции ТЭП заключается в применении экономичной ТИСУ. На рис. представлена упрощенная схема силовой части ТИСУ трамвая. Регулирование тяговыми двигателями, установленными на каждую ось вагона трамвая, осуществляется от преобразователя на IGBT-транзисторах с широтно-им-пульсным регулированием.
Данный преобразователь позволяет возвращать энергию торможения в контактную сеть. Программируемый контроллер обеспечивает все необходимые режимы управления электроприводом при разгоне, движении постановке трамвая. Для приводов вентиляторов и одновременно для подзарядки аккумуляторной батареи вместо моторов-генераторов используются статические преобразователи. Статический преобразователь через инвертор питает также вентиляторы охлаждения тяговых двигателей. Открывание и закрывание дверей производится из кабины водителя с помощью пневмопривода.
Трамвай, состоящий из одного или двух моторных вагонов, оснащенных современными тяговыми электродвигателями повышенной мощности, и пассивного прицепного вагона, успешно эксплуатируется на равнинном профиле и участках с подъемами до 5 %. Расчеты показывают, что при этом обеспечиваются достаточно высокие тягово-тормозные характеристики и эксплуатационные показатели работы на маршруте.
В качестве базовой модели для многоосного подвижного состава принят шестиосный головной трамвайный вагон ЛВС-86 с ТИСУ, двухсекционным шарнирно соединенным кузовом, двумя тяговыми тележками и бегунковой (безмоторной) тележкой, расположенной под узлом соединения. Вагон предназначен для одностороннего движения и рассчитан на эксплуатацию как самостоятельно, так и в составе из двух вагонов, управляемых по системе многих единиц.
Для обеспечения безопасности пассажиров вагон оборудован системой блокировки, исключающей возможность трогания при открытых дверях, а также датчиками пожарной сигнализации, установленными в пассажирском помещении и кабине водителя.
В связи с увеличением массы вагона показатели динамики разгона и максимум установившейся скорости при однотипных тяговых двигателях у шестиосного вагона несколько снизились по сравнению с четырехосным. Однако в условиях равнинного профиля пути и характерных для крупных городов помех движению это не повлияло на реальные эксплуатационные скорости сообщения.
Создаваемые вагоны оборудуются ТЭП с ансинхронными двигателями и полупроводниковыми преобразователями частоты. Такие электроприводы схожи с ТЭП троллейбусов.
В трамваях применяются комплекты тягового электрооборудования с двигателями ТАД-1 и ТАД-2 мощностью 75 и 60 кВт соответственно. ТАД-1 предназначен для установки на шестиосных трамвайных вагонах, ТАД-2 — на четырехосных.
Троллейбус. В троллейбусах применяются комплекты тягового электрооборудования с реостатно-контакторной системой управления. Например, комплекты: с двигателем смешанного возбуждения мощностью 110 кВт для двухосного троллейбуса; с двигателем сериесного (последовательного) возбуждения мощностью 170 кВт для шарнирно соединенного троллейбуса; с двигателем смешанного возбуждения и крышевым расположением оборудования.
В новых разработках троллейбусов, как и трамваев, используется ТЭП с ТИСУ или частотно-регулируемым асинхронным двигателем.
Тиристорно-импульсная система управления имеет следующие особенности и преимущества:
экономия электроэнергии до 25 % по сравнению с контактор-но-резисторными системами управления;
плавное бесступенчатое регулирование скорости;
электродинамическое торможение тяговым электродвигателем до скорости 2...3 км/ч при отсутствии напряжения в контактной сети;
движение при любой полярности контактной сети с автоматическим переключением прямой и обратной полярности;
применение электромеханического реверсора в цепи якоря тягового электродвигателя;
бестоковая коммутация контакторов;
самодиагностика с выводом световой и звуковой информации;
быстродействующая электронная защита от пониженного напряжения в контактной сети, перегрузок и коротких замыканий, ошибочных действий водителя.
Наиболее перспективными электроприводами для городского транспорта являются электроприводы переменного тока с преобразователями частоты.
Из всего многообразия известных схем частотно-управляемых асинхронных электроприводов наиболее приемлемыми вариантами применительно к ТЭП городских троллейбусов могут быть следующие два:
с «векторным» способом цифрового управления;
с аналоговой обратной связью по ЭДС статора с подчиненным контуром активного тока и воздействием на частоту и напряжение статора и абсолютное скольжение ротора.
Силовая электрическая схема первого из указанных вариантов электропривода показана на рис. В ней приняты следующие обозначения: МП — микропроцессор, МТ — модуль транзисторный, ДТ — датчик тока, ДН — датчик напряжения, ДС — датчик скорости, ДД — датчик открытия и закрытия дверей.
Трехфазный асинхронный двигатель с короткозамкнутым ротором регулируется от преобразователя на IGBT модулях. В состав контроллера кроме 32-разрядного DSP-процессора TMS320132PCM5 входят постоянное запоминающее устройство (ПЗУ), выполненное на микросхеме типа AM29F010-120PS, и оперативное запоминающее устройство (ОЗУ) на двух микросхемах AS7C 1024-15 JS. ПЗУ предназначено для хранения рабочих программ, реализующих математические функции, используемые при формировании алгоритмов «векторного» управления, в частности преобразование величин из трехфазной в ортогональную систему координат и обратно.
ОЗУ используется для хранения оперативной информации, промежуточных расчетов при формировании тех же алгоритмов. Блок логики построен на микросхеме программируемой логики типа XCS30XL-PQ240 и ПЗУ AT17cl28-10pi.
В рассматриваемом контроллере тактовая частота 16 МГц. На выходе контроллера формируются импульсы на включение и выключение полупроводниковых силовых элементов инвертора, подчиняющиеся определенному временному ШИМ-алгоритму, который создает необходимые алгоритмы регулирования напряжения и частоты на выходе инвертора во всех режимах пуска, разгона, регулирования скорости и торможения тягового асинхронного двигателя (АД) с короткозамкнутым ротором, обеспечивая его наилучшие энергетические и динамические характеристики (КПД, coscp, быстродействие).
Для удобства связи контроллера с внешними аналоговыми сигналами (датчиками тока и напряжения) в схеме предусмотрены аналогово-цифровые преобразователи и отдельные входы для импульсного датчика частоты вращения и других датчиков, обеспечивающих безопасность пассажиров.
Для организации обратной связи по частоте вращения в конструкции АД предусмотрен встроенный импульсный датчик скорости высокой точности. Асинхронный двигатель мощностью 180 кВт типа ТАД-ЗУ имеет закрытое исполнение с принудительным охлаждением самообдувом (степень защиты IP54). Такое исполнение более удобно для троллейбуса, хотя приводит к увеличению массы.
Большой объем памяти ОЗУ и ПЗУ совместно с блоком логики кроме основных функций позволяет одновременно выполнять операции по диагностированию теплового состояния силовых элементов, а также устройств формирования дискретной информации ШИМ-каналов. Функции индикации прохождения команд управления и измерения регулируемых параметров (напряжения, частоты) выполняются параллельно с основными функциями.
Отсутствие высокоточного датчика скорости в жестких условиях эксплуатации выгодно отличает от первого второй вариант схемы, в котором обратная связь по частоте вращения заменена на аналоговую обратную связь по ЭДС статора с подчиненным контуром активного тока и воздействием на частоту и напряжение статора и абсолютное скольжение ротора. На схеме приняты следующие обозначения: ЗИ — задатчик интенсивности; ДЭ — датчик ЭДС; РЭ — пропорционально-интегральный регулятор ЭДС; РТ — пропорционально-интегральный регулятор тока; ФП — функциональный преобразователь; АИН — автономный инвертор напряжения; РН, РЧ — соответственно регуляторы напряжения и частоты; KI — блок выделения частоты скольжения.
Система управления обеспечивает большой избыточный момент в диапазоне малых частот вращения двигателя с целью максимально быстрого набора скорости движения троллейбуса (в пределах допустимого ускорения) при минимальном потреблении тока. Это достигается за счет того, что в алгоритм управления введены конкретные соотношения между частотой и напряжением инвертора, изменяющиеся в процессе пуска. В самом начале пускового режима допустимо увеличение отношения напряжения к частоте. Благодаря контуру стабилизации ЭДС увеличение напряжения относительно частоты не сопровождается чрезмерным насыщением магнитопровода.
За счет применения ПИ-регулятора ЭДС, а также создания обратной связи между активным током статора и темпом изменения напряжения на выходе инвертора система управления ограничивает пусковой ток двигателя.
Отсутствие датчика частоты вращения в этом схемном решении обусловлено тем, что он является слабым, ненадежным техническим элементом системы, особенно в условиях работы в морозную и жаркую погоду, при наличии грязи, пыли, соленой воды на городских дорогах.
Достаточно жесткая рабочая характеристика АД позволяет отказаться от автоматического регулирования частоты вращения двигателя. В этом случае достаточно задать начальную частоту инвертора и быть уверенным, что до начала вращения двигателя ее значение не превысит значения критического скольжения. Водитель при помощи педали движения задает значение основной гармоники напряжения статора, которое будет стабилизироваться методом ШИМ по сигналу рассогласования относительно ЭДС двигателя. При этом частота статора определяется автоматически линейным звеном по сигналу датчика ЭДС.
В настоящее время ведутся разработки троллейбуса с автономным ходом. В тяговом приводе применены транзисторные преобразователи с двигателем постоянного тока, а в качестве накопителя используются ионистровые источники тока.
Вагоны метрополитена. За время существования отечественного метрополитена метровагоностроителями были созданы шесть основных типов (моделей) вагонов, которые успешно эксплуатировались или находятся в эксплуатации в настоящее время.
Основные параметры находящихся в настоящее время в эксплуатации отечественных вагонов типов 81-717 и 81-714.
На Петербургском метрополитене в настоящее время находятся в эксплуатации в основном вагоны следующих типов: Е (Ем — средний вагон, Ема — головной вагон, Емх — хвостовой вагон), 81-714, 81-717. Каждый вагон имеет четыре электродвигателя постоянного тока последовательного возбуждения, самовентилируемых (ДК-108 или ДК-117), получающих питание (825 В постоянного тока) от третьего контактного рельса, который проложен с правой или левой стороны ходовых рельсов.
Для контроля фактической скорости вагона применяются датчики скорости, установленные на второй и четвертой колесных парах головного вагона. При вращении колесной пары датчик скорости вырабатывает сигналы переменной частоты от 27,5 до 1210 Гц, что соответствует скорости движения вагона от 5 до 220 км/ч. Датчик скорости имеет дисковый ротор с 49 зубцами при диаметре колеса вагона 780 мм и четыре катушки, соединенные последовательно.
Для открытия и закрытия дверей в вагоне применяются пневмоприводы с цепной передачей.
Для регулирования скорости электродвигателей вагона применяют реостатные контроллеры ЭКГ-17, ЭКГ-36 или ЭКГ-39. Изменение сопротивления в цепи происходит в результате замыкания и размыкания кулачковых контакторов. Ящик реостатного контроллера подвешен с правой стороны вагона.
Управление движением состава электропоезда осуществляется из кабины машиниста контроллером (для вагонов типа Е — КВ55; 81-714, 81-717 - КВ69 или КВ70).
Новые вагоны метрополитена изготовлены в двух модификациях: головной вагон с кабиной управления (модель 81-720) и промежуточный моторный — без кабины управления, с устройством для маневровых работ (модель 81-721). Поезд формируется из двух головных и одного или нескольких промежуточных вагонов; максимальное число вагонов в поезде — 10, минимальное — 3. Имеется микропроцессорная система управления с техническим диагностированием (автоматический и ручной режимы).
На раме тележки установлены два моноблока, состоящие из тягового двигателя и редуктора. Передача вращающего момента от вала тягового двигателя через редуктор к оси колесной пары осуществляется через полый вал с упругими муфтами. Таким образом, в этих тележках реализовано опорно-рамное подвешивание тягового двигателя и редуктора.
Центральное подвешивание вагона — пневматическое, состоит из четырех пневморессор и систем питания сжатым воздухом и управления, которые обеспечивают постоянство уровня пола кузова относительно пассажирской платформы.
Вагоны оборудованы тяговым тиристорно-импульсным электроприводом постоянного тока, обеспечивающим автоматический безреостатный пуск, автоматическое регулирование возбуждения, следящее рекуперативно-реостатное торможение, автоматическое замещение электрического торможения пневматическим, совместную работу с системами безопасности движения и автоведения.
Тормозная система вагона имеет следующие виды тормозов: рабочий — электродинамический следящий рекуперативно-реос-татный; резервный и аварийный — фрикционный с электропневматическим приводом; стояночный — фрикционный с пневмо-пружинным приводом, обеспечивающий удержание вагона на уклоне 60 %о. Тормоза на тележках опытных вагонов выполнены дисковыми или односторонними колодочными. Тележки с дисковыми тормозами имеют большую массу.
Принудительная вентиляция осуществляется через вентиляторные агрегаты, размещенные под диванами. Они состоят из электродвигателей мощностью 75 Вт и 0,2 кВт, на валы которых насажены лопасти вентиляторов. Воздух поступает через всасывающие решетки, расположенные на боковине кузова вагона, фильтрующие и заборные воздуховоды. Частота вращения агрегата 1500 мин-1 подача 5000 м3/ч. В вагоне расположено 13 или 14 вентиляторов.
Поездная система управления представляет собой комплект бортовых компьютеров, связанных друг с другом и поездным компьютером единым каналом связи. Система обеспечивает управление поездом одним машинистом, хранение информации о работе оборудования и отображение ее на дисплее в кабине машиниста. Она стыкуется с системами автоматического управления и безопасности движения.
Многочисленные датчики, установленные на вагоне, дают информацию о состоянии оборудования поезда. Диагностическая информация выводится на экран дисплея, расположенного в кабине машиниста.