Мсуд 015 руководство по эксплуатации

Микропроцессорная система управления и диагностики для электровозов переменного тока МСУД-015 предназначена для управления тяговым приводом (электровоза переменного тока с коллекторными двигателями) и аппаратами цепей управления электровоза.

МСУД обеспечивает расширенные функции диагностирования оборудования электровоза 2ЭС5К (3ЭС5К, 4ЭС5К) и реализацию поосного управления тяговыми электродвигателями (ТЭД), в том числе в режиме тяги с независимым возбуждением ТЭД.

В состав аппаратных средств МСУД-015 головной секции входят:

— блок управления БУ-006 АРКИ.656363.006;

— блок управления БУ-006-01 АРКИ.656363.006-01;

— блок индикации (далее БИ) типа ВС3841 (BC3742, БС04);

— блок сигнализации БС-008 АРКИ.656122.008.

В состав аппаратных средств МСУД-015-01 бустерной секции входят:

— блок управления БУ-006 АРКИ.656363.006;

— блок управления БУ-006-01 АРКИ.656363.006-01.

БУ-006 и БУ-006-01 предназначены для выполнения арифметических, логических операций, обработки сигналов датчиков, формирования и усиления управляющих сигналов и обеспечения обмена информацией между составными частями МСУД-015.

БИ предназначен для вывода машинисту графической и звуковой информации о заданных и истинных величинах, контролируемых параметрах, состоянии оборудования и системы управления, режиме работы оборудования и т.д., а также ввода команд с многофункциональной клавиатуры.

БС-008 предназначен для визуального отображения (при помощи светодиодных индикаторов) обобщенной информации о состоянии оборудования электровоза.

Имеется сертификат соответствия ФСТЭК России рег. № 3943 от 23 мая 2018 г. для программного обеспечения системы, действителен до 23 мая 2021 г. (копия сертификата предоставляется по запросу).

Валерий Леонидович Задорожный, который возглавляет на НЭВЗе группу электровозов переменного тока отдела серийной продукции, подготовил по нашей просьбе статью, посвящённую электровозам с поосным регулированием силы тяги, предназначенную для публикации в корпоративном журнале Трансмашхолдинга. К большому сожалению, при подготовке к публикации текст пришлось значительно сократить. Формат блога, в отличие от журнала, не налагает ограничений на объём материала и потому мы приняли решение опубликовать здесь полную версию статьи. Предупреждаем, что, будучи написанной специалистом, она рассчитана на подготовленную публику.

Будем благодарны за отзывы: нам важно знать, интересны ли такие тексты нашим посетителям или же стоит ограничиться более популярными материалами.

Пользуясь случаем, поздравляем Валерия Леонидовича с присвоением почётного звания «Лучший работник промышленного комплекса Дона».

Главный заказчик продукции Трансмашхолдинга – ОАО «РЖД», постоянно повышает требования к эффективности работы железнодорожного транспорта. В этой связи компания постоянно проводит работу по совершенствованию своей продукции. В частности, НЭВЗ совместно с ВЭлНИИ разработал и приступил к производству модифицированных электровозов серии «Ермак» – 2(3,4)ЭС5К с поосным регулированием силы тяги.

Теория

Сердце любого электровоза – его тяговый двигатель. Двигатели, которые могут быть использованы в качестве тяговых на электровозе, должны удовлетворять как минимум двум требованиям. Прежде всего они должны допускать возможность регулирования в широких пределах частоты вращения. Это позволяет изменять скорость движения поезда. Кроме того, необходимо иметь возможность регулировать в широком диапазоне силу тяги, т. е. вращающий момент, развиваемый двигателем. Так, двигатели электровоза должны обеспечивать значительную силу тяги во время трогания поезда, его разгона, при преодолении крутых подъемов и т. п. и снижать ее при более легких условиях движения.

С точки зрения организации движения, казалось бы, желательно, чтобы поезда независимо от изменения сопротивления движению перемещались с постоянной скоростью или эта скорость снижалась бы незначительно. Зависимость между силой тяги, развиваемой двигателями локомотива, и скоростью его движения называют тяговой характеристикой. Тяговые характеристики существуют 2-х видов – мягкая и жесткая.

В случае жесткой характеристики мощность, потребляемая двигателями на крутых подъемах, возрастает пропорционально увеличению силы тяги. Резкое увеличение потребляемой мощности приводит к необходимости повышения мощности как самих двигателей, так и тяговых подстанций, увеличения площади сечения контактной подвески, что связано с затратами денежных средств и дефицитных материалов.

Характеристику двигателя, при которой с увеличением сопротивления движению поезда автоматически снижается его скорость, называют мягкой. Двигатель с такой тяговой характеристикой работал бы при неизменной мощности. Однако при движении тяжелых составов на крутых подъемах, когда необходима большая сила тяги, поезда перемещались бы с очень низкой скоростью, тем самым резко ограничивая пропускную способность участка железной дороги.

На российских железных дорогах в качестве тяговых двигателей на электровозах в подавляющем большинстве случаев используются двигатели постоянного тока с последовательным возбуждением, обладающие мягкой тяговой характеристикой. Такие двигатели при больших нагрузках вследствие снижения скорости потребляют меньшую мощность из системы электроснабжения. Однако двигатели последовательного возбуждения имеют весьма существенный недостаток — электровозы с такими двигателями склонны к боксованию, иногда переходящему в разносное. Этот недостаток особенно резко проявился после того, когда масса поезда стала ограничиваться расчетным коэффициентом сцепления. К недостаткам тяговых двигателей последовательного возбуждения относится и то, что они не могут автоматически переходить в режим электрического торможения: для этого необходимо предварительно изменить способ возбуждения тягового двигателя.

Двигатели постоянного тока с независимым возбуждением обладают жесткой характеристикой, которая в значительно большей мере способствует прекращению боксования, так как в этом случае сила тяги резко снижается даже при небольшом скольжении и имеется больше шансов на восстановление сцепления.

Как показали экспериментальные исследования, проведённые ВНИИЖТ, МИИТ, ВЭлНИИ, ОМИИТ на электровозах типа ВЛ22М, ВЛ60РН, ВЛ80РН, оборудованных различными системами независимого возбуждения, увеличение силы тяги и торможения достигает 15ч-20% по сравнению с серийно выпускаемыми машинами с последовательным возбуждением тяговых электродвигателей (ТЭД).

Исследования, проведенные в 80-е годы, показали, что наилучшими противобоксовочными и противоюзными свойствами обладает групповая схема питания тяговых двигателей с индивидуальным (поосным) регулированием возбуждения каждого ТЭД по сравнению с индивидуальным регулированием напряжения на якорных обмотках и групповом питании обмоток возбуждения ТЭД. Первая была применена на электровозе ВЛ85 № 061, вторая — на электровозе ВЛ80Р № 1669.

Однако применяемая в 80-х годах на серийно выпускаемых электровозах элементная база не позволила реализовать необходимые алгоритмы управления. Использование на указанных экспериментальных машинах бортовых микропроцессорных систем управления показало, что только с применением именно такой техники можно успешно реализовать все достаточно сложные законы регулирования многомоторного автоматизированного тягового электропривода электровоза. Проведённые испытания указанных электровозов показали значительные преимущества микропроцессорных систем управления перед традиционными, серийно выпускаемыми промышленностью, а также наметили ряд задач дальнейшего совершенствования алгоритмов управления.

Таким образом, комплексная задача разработки электровоза переменного тока с независимым возбуждением тяговых двигателей и поосным управлением силой тяги могла быть решена только с появлением микропроцессорной системы управления на серийных электровозах.

Изготовление электровозов с поосным регулированием 3ЭС5К №434 и 4ЭС5К №№001-003

В 2013году в соответствии с «Техническим решением о совершенствовании конструкции серийно выпускаемых электровозов серии ЭП1(М, П), 2(3)ЭС5К, 2ЭС4К» утвержденным руководством ЗАО «Трансмашхолдинг» и ОАО «РЖД», ОАО «ВЭлНИИ» разработал конструкторскую документацию, а ООО «ПК «НЭВЗ» по ней изготовил электровоз 3ЭС5К №434.

В 2014г в соответствии с «Решением о принципах построения шестнадцатиосного магистрального грузового электровоза переменного тока 4ЭС5К производства ООО «ПК «НЭВЗ»», утвержденным руководством ЗАО «Трансмашхолдинг» и ОАО «РЖД», ОАО «ВЭлНИИ» разработал конструкторскую документацию, а ООО «ПК «НЭВЗ» по ней изготовил электровозы 4ЭС5К №№001-003
На указанных электровозах применены следующие конструкторские и схемные решения:

Независимое возбуждение тяговых двигателей в режимах «Тяга» и «Рекуперация»:

Поскольку тяговые двигатели постоянного тока на отечественных электровозах изначально разрабатывались для использования в сериесном (последовательном) включении, их обмотки возбуждения рассчитаны на значительные токи, до 1000 А. Поэтому для управления и удешевления автономного возбудителя на электровозах 3ЭС5К №434 и 4ЭС5К №№001-003 с независимым возбуждением, обмотки возбуждения всех двигателей секции подключаются последовательно к общей двухполупериодной выпрямительной установке возбуждения ВУВ- 257, а распределение нагрузок для каждого двигателя производится индивидуальной подрегулировкой возбуждения при помощи управляемых шунтирующих устройств, выполненных на тиристорах и резисторах, подключенных параллельно обмоткам возбуждения. Эти устройства работают в широтно-импульсном режиме с частотой пульсации выпрямленного тока и производят «отпитку» тока возбуждения, воздействуя таким образом на ток якоря, т.е. выполняют функцию корректировки параметров магнитной системы каждого двигателя.

Выпрямительная установка возбуждения ВУВ — 257

Технические данные:
Номинальный продолжительный выпрямленный ток (среднее значение), А — 850
Ток выпрямленный 20-минутного режима (с холодного состояния) А, не более — 1100
Ток выпрямленный 5-ти минутного режима (с холодного состояния), А, не более — 1300
Номинальное напряжение питания переменного тока (эффективное значение), В — 2х270
Напряжение силовых цепей:
— относительно “земли”, В — 3600
— относительно цепей управления, В — 1500

Поосное регулирование силы тяги

Для индивидуального управления тяговыми двигателями применены:

А) микропроцессорная система управления и диагностики МСУД-015 для управления тяговым приводом, аппаратами цепей управления и защиты электровоза, диагностики основного оборудования.

МСУД-015 реализует расширенные функции диагностирования оборудования электровоза 2(3, 4)ЭС5К и поосное регулирование тяговыми электродвигателями (далее ТЭД), в том числе в режиме тяги с независимым возбуждением ТЭД.

В состав аппаратных средств МСУД-015 головной секции входят:
-блок управления БУ-006;
-блок управления БУ-006-01;
-блок индикации ВС-3742 фирмы «GERSYS»;
-блок сигнализации БС-008.

ВС-3742

БС-008

В состав аппаратных средств МСУД-015-01 бустерной секции входят:
— блок управления БУ-006;
— блок управления БУ-006-01.

БУ-006 и БУ-006-01 предназначены для выполнения арифметических, логических операций, обработки сигналов датчиков, формирования и усиления управляющих сигналов и обеспечения обмена информацией между составными частями МСУД-015.

БИ ВС -3742 предназначен для вывода машинисту графической и звуковой информации о заданных и истинных величинах, контролируемых параметрах, состоянии оборудования и системы управления, режиме работы оборудования и т.д., а также ввода команд с многофункциональной клавиатуры.

БС-008 предназначен для визуального отображения машинисту (при помощи светодиодных индикаторов) обобщенной информации о состоянии оборудования электровоза.

В тяговом и тормозном режимах МСУД-015 обеспечивает:
— управление тяговым электроприводом и оборудованием в режимах ручного и автоматического регулирования;
— поддержание, заданной машинистом, силы тяги в пределах ограничений по мощности до достижения заданной скорости с последующим ее поддержанием (при отсутствии ускорения движения за счет уклона пути); — ограничение тока тяговых двигателей при достижении максимально допустимого значения; — защиту от боксования путем обеспечения возможности перераспределения между осями тяговых усилий с целью сохранения общей силы тяги электровоза на заданном уровне; — выравнивание токов по тяговым электродвигателям при независимом возбуждении в режиме тяги;
— поддержание заданной машинистом тормозной силы с учетом ограничений тормозной характеристики до достижения заданной скорости с последующим ее поддержанием (на спусках); — ограничение тока якорей и тока возбуждения тяговых двигателей при достижении максимально допустимых значений; — защиту от юза путем обеспечения возможности перераспределения между осями тормозных усилий с целью сохранения общей силы торможения электровоза на заданном уровне.

Расширенные функции диагностирования и управления МСУД-015 всем оборудованием электровоза, независимо от режимов движения, обеспечивают выполнение следующих функций:
— непрерывный автоматический контроль состояния агрегатов и оборудования электровоза, включая главный выключатель, токоприемники, тяговые электродвигатели, сглаживающие реакторы, блок балластных резисторов, вспомогательные машины, аппараты защиты;
— запрет сбора электрической цепи тягового режима в случае несоответствия параметров плотности тормозной магистрали поезда, предусмотренных нормативными документами величинам;
— получение и обработка диагностической информации от блоков диагностики ВИУ (ВИП);
— управление оборудованием электровоза, включая вспомогательные машины, аппараты защиты и другие агрегаты;
— выявление отклонений в работе контролируемого оборудования путем оценки на допустимость значений параметров, полученных от датчиков этого оборудования;
— визуальное и звуковое оповещение, а также по запросу на дисплее о выявленных отклонениях в работе оборудования в режимах «штатный», «аварийный»;
— отображение текущего состояния контролируемых параметров на дисплее;
— сбор диагностической информации в штатном режиме каждые 100 мс (независимо от состояния оборудования) в соответствии с утвержденным «Перечнем диагностируемых параметров электровоза 2ЭС5К (3ЭС5К) с расширенной системой бортовой диагностики состояния оборудования и дистанционной передачей данных в депо (для изготовления опытного электровоза)»;
— формирование массива (дампа) данных в моменты выявления отклонений от нормы в работе оборудования содержащим соответствующую диагностическую информацию с интервалом времени 10 мс в течении 1 с до 0,1 с после события (всего 110 записей на единичный факт выявления отклонений от нормы в работе оборудования) и передачу полученного массива данных в подсистему регистрации и передачи данных для записи параметров электрических процессов в энергонезависимую память и обеспечения возможности ремонтному персоналу дальнейшего анализа выявленных фактов отклонений от нормы в работе оборудования и определения причин их возникновения;
— передачу собранной диагностической информации в подсистему регистрации и передачи данных для хранения ее в энергонезависимой памяти и передачи по беспроводному каналу связи обобщенной информации об электровозе;
— подключение внешнего электронного носителя для считывания данных, зарегистрированных в памяти, для последующей расшифровки и архивирования в депо.

Б) выпрямительно-инверторное устройство ВИУ-4000-2М для реализации поосного регулирования тяги на электровозах 2(3, 4)ЭС5К посредством преобразования однофазного переменного тока частоты 50 Гц в постоянный (пульсирующий) ток с обеспечением плавного индивидуального регулирования выпрямленных напряжений питания двух тяговых двигателей в режиме тяги и для преобразования постоянного тока в однофазный переменный частотой 50 Гц в режиме рекуперативного торможения. Каждый канал ВИУ- 4000-2М получает сигналы управления от отдельного канала МСУД-015.

Конструктивно ВИУ состоит из трёх блоков: блока силового (БС), блока питания (БП) и блока диагностики (БД).

Блок силовой (БС) состоит из двух абсолютно идентичных каналов — №1 и №2.

Блок силовой (БС). Канал № 1

Блок диагностики (БД) предназначен для:
— контроля состояния тиристоров плеч силового блока (БС);
— контроля транзисторов блока питания (БП) и блока формировавния импульсов (БФИ);
— подачи запускающих импульсов при диагностировании работы блоков управления СФИ. Блок диагностики подключается к МСУД электровоза по отдельному СAN-каналу.

Лицевая панель блока диагностики

Блок питания (БП) обеспечивает питанием блоки управления СФИ. БП питается от обмотки собственных нужд 380В тягового трансформатора электровоза. БП представляет собой транзисторный стабилизатор напряжения с параллельным регулирующим элементом, который позволяет с заданной точностью поддерживать постоянное напряжение на выходе при изменении входного напряжения в пределах от 250 до 500 В.

Лицевая панель блока питания

В) Разъединитель с дистанционным управлением Р-45 — для индивидуального оперативного дистанционного отключения неисправных каналов силовой цепи (Тяговый тр-р – ВИУ- ТЭД). В качестве привода используется двигатель с винтовой передачей типа АТЛ20.

Эксплуатация электровозов с поосным регулированием 3ЭС5К №434 и 4ЭС5К №№001-003

Электровозы 4ЭС5К с 19 января 2015 года эксплуатируются в депо Смоляниново Дальневосточной железной дороги. Эксплуатация осуществляется в условиях самого сложного природно-ландшафтного рельефа сети РЖД на участке Смоляниново — Находка, который характеризуется наличием горно-перевальных участков с крутыми подъемами и уклонами и участками пути с кривыми малого радиуса». Эксплуатация проходит в нормальном режиме, все выявленные замечания оперативно устраняются представителями Новочеркасского электровозостроительного завода.
Электровоз 3ЭС5К №434 с сентября 2015 года эксплуатируется в депо Чита Забайкальской железной дороги.

Вывод

Применение поосного управления силой тяги совместно с системой адаптации по сцеплению создает перераспределение нагрузок между колесно-моторными блоками, позволяющее поддерживать реализуемую силу тяги электровоза практически на заданном уровне. При этом снижается расход песка на подсыпку при буксовании (юзе), уменьшается износ бандажей колесных пар, улучшается использование заложенной мощности электрооборудования.