Обновление электрооборудования электровозов переменного тока
Источник: журнал Локомотив → scbist.com
Для снабжения электроэнергией цепей управления, освещения, сигнализации и подзаряда аккумуляторной батареи электровозов переменного тока ВЛ85 с № 230, ВЛ65 и ЭП1 применяют шкафы питания ШП-21. Их также предполагают устанавливать при модернизации ранее выпущенных электровозов ВЛ80Т и ВЛ80С.
Эти устройства преобразуют переменное напряжение 380 В, подаваемое от обмотки собственных нужд тягового трансформатора, в стабилизированное выпрямленное напряжение 50 В пульсирующего тока Предусмотрено быстродействующее переключение питания цепей управления от выпрямителя на аккумуляторную батарею и обратно, например, при проходе электровозом нейтральных вставок в контактной сети или отрыве токоприемника.
Технические данные ШП-21
Номинальное входное напряжение переменного тока, В.......380
Диапазон изменения входного напряжения, В............ 280 — 470
Номинальная частота питающего напряжения, Гц................... 50
Максимальная потребляемая мощность не более, кВт........... 13
Номинальное напряжение постоянного тока
на выходах 1 и 2, В................................................. ......... 50
Напряжение подзаряда аккумуляторной батареи на выходе 3
в диапазоне рабочих температур -50 ... +60 °С, В.........60 — 80
Номинальное напряжение переменного тока, В
выход 4................................................. .............................. 75
выход 5................................................. .............................100
Отклонение напряжения на выходах 1 и 2 в диапазоне рабочих
токов и температуре -50 ... +60 °С, В....................................... ±2,5
Диапазон рабочих токов, А
выход 1................................................. ................... 14,5 — 65
выход 2................................................. ..................... 1,5 — 40
выход 3................................................. ........................0 — 31
выходы 4 и 5................................................. ...............0 — 10
Коэффициент пульсации выпрямленного напряжения, %
выход 1................................................. ................... 100
выход 2, не более............................................. ........ 90
выход 3, не более............................................. ................... 12
Масса, кг................................................ .................................350
На электрической принципиальной схеме (см. рисунок)видно, что питающее напряжение поступает на контактный зажим Х1 и от него на выводы 1 и 2 трансформатора Т1. С выводов 4, 6 и 7 вторичной обмотки подается напряжение на электроплиту (выводы 5 — 7 контактного зажима Х3).
Напряжение питания для остальных потребителей поступает со вторичной обмотки трансформатора на тиристорно-диодный преобразователь, состоящий из тиристоров V1, V2 и диодов V3 — V5 Для защиты этих выпрямителей от перенапряжения к выводам 3 и 7 трансформатора Т1 подключена защитная панель, на которой размещены резисторы R1, R2 и конденсаторы C1, С2.
Неуправляемый выпрямитель с диодами V3 — V5 выполнен по схеме двухполупериодного выпрямителя. Управляемый выпрямитель преобразователя выполнен на тиристорах V1, V2 с использованием плеч неуправляемого выпрямителя V4, V3.
Принцип действия преобразователя основан на наложении регулируемого по фазе напряжения на нерегулируемое. В начале каждого полупериода питающего напряжения, до подачи управляющих импульсов, тиристоры V1 и V2 заперты. Контур тока составляют диоды V3, V5 или V4, V5 и резисторы R5 — R7.
При подаче управляющих импульсов с определенной фазой регулирования тиристор V1 или V2 открывается. Разделительный диод V5 закрывается обратным напряжением, контур тока составляет диод V4 или V3.
На выход 1 подается напряжение непосредственно от панели преобразователя, на выход 2 — через дроссель L1, который снижает пульсации тока в нагрузке.
Для заряда и подзаряда аккумуляторной батареи предусмотрена цепь, состоящая из дросселя L2, трансформатора Т2 и тиристорного ключа V7. Чтобы контролировать среднее значение тока подзаряда и формирование сигнала, в цепь заряда включен трансформатор Т2. С помощью резистора R9 данный сигнал выделяется на вторичной обмотке.
Сигнал обратной связи по напряжению аккумуляторной батареи образуется на резисторах R13 — R15. Уставку ограничения напряжения на ней устанавливают с помощью резистора R14. Она изменяется автоматически во всем диапазоне рабочих температур за счет терморезистивных свойств катушки R15. После отключения питающего напряжения отпирается тиристорный ключ V8, и нагрузки с выходов 1 и 2 подключаются к аккумуляторной батарее.
Батарея защищена от токов коротких замыканий быстродействующими плавкими предохранителями F1 и F2, а питающий трансформатор Т1 и выпрямители V1 — V5 — предохранителем, установленным вне шкафа.
Рубильником SA1 переводят цепи нагрузки данной секции к шкафу питания другой секции. Рубильник SA2 позволяет присоединять цепи нагрузки секции шкафа к источнику напряжения депо. Чтобы подключать аккумуляторную батарею к источнику депо или к конкретному шкафу питания, предназначен рубильник SA3.
Для формирования импульсов управления тиристорами в схему шкафа введены следующие функциональные узлы: регулятор напряжения (РН); тиристорный импульсный регулятор напряжения и тока подзаряда аккумуляторной батареи; узел управления обратным тиристорным ключом.
РН предназначен для формирования, усиления и выдачи импульсов на открытие тиристоров V1 и V2 управляемого выпрямителя. Принцип действия регулятора заключается в автоматическом изменении фазы импульсов управления в зависимости от значений напряжений на входе и выходе устройства.
Это достигается изменением времени разряда конденсаторов С3 и С4 во времязадающих R—С-цепях. Каждый из них разряжается по двум цепям, одна из которых неуправляемая, другая — управляемая сигналом обратной связи по напряжению, снимаемым с регулируемого резистора R8.
На выходе неуправляемой времязадающей R—С-цепи установлен двухкаскадный транзисторный ключ. Он открывается в момент окончания разряда конденсатора и выдает управляющий сигнал на соответствующий тиристор (V1 или V2). Параметры неуправляемых разрядных цепей конденсаторов С3 и С4 выбраны так, чтобы при отключенной управляемой цепи разряда среднее значение выходного напряжения составляло бы около 40 В. При подключенной управляемой цепи время разряда уменьшается. Соответственно изменяется фаза импульсов управления тиристорами V1 и V2, обеспечивая увеличение выпрямленного напряжения до 50 В.
Конденсаторы С3, С4 заряжаются в нерабочие для тиристоров V1 и V2 полупериоды питающего напряжения от выводов 4 — 6 трансформатора Т1 через диоды V7 и V8 до амплитудного значения напряжения на этой обмотке. В рабочие полупериоды конденсатор С3 разряжается через резисторы R9 — R11 и базо-эмиттерный переход транзистора V6 до опорного напряжения на стабилитроне V11.
Одновременно эти конденсаторы разряжаются через транзисторы V13 и V14, управляемые сигналом обратной связи, снимаемым с резистора R8. В зависимости от величины сигнала обратной связи изменяется степень открытия транзисторов V13 и V14. В конечном итоге это изменяет общее сопротивление разрядной цепи и, следовательно, постоянную времени разряда конденсаторов С3 и С4.
В периоды протекания тока разряда конденсаторов С3 и С4 транзисторы V5 и V6 открыты, a V3 и V4 — закрыты. После того как напряжение на конденсаторах С3 и С4 снизится до уровня опорного напряжения на стабилитроне V11, откроется соответствующий транзистор V3 или V4. Затем будут выданы импульсы управления от импульсных трансформаторов Т1 и Т2 на соответствующие силовые тиристоры V1 и V2.
При снижении напряжения на выходе шкафа пропорционально снижается напряжение обратной связи. В случае, если напряжение станет ниже опорного на стабилитроне V12, транзистор V1 закроется, а транзистор V14 откроется. Это приведет к уменьшению общего разрядного сопротивления и сокращению времени разряда конденсаторов С3 и С4. Уменьшение фазы открытия силовых тиристоров V1 и V2 приводит к увеличению напряжения на выходе шкафа питания.
После возрастания напряжения на выходе шкафа питания происходит обратный процесс. Таким образом обеспечивается стабилизация выходного напряжения. При этом ее точность зависит от стабильности опорного напряжения стабилитрона V12 и коэффициента усиления каскада транзисторов V13 и V14.
В состав импульсного регулятора напряжения и тока заряда аккумуляторной батареи входят основной тиристорный ключ V7 и вспомогательный тиристор V22. Принцип действия данных устройств основан на регулировании скважности открытого состояния тиристора V7. Управление им происходит в каждый полупериод питающего напряжения по следующей цепи: положительный выход преобразователя напряжения, провод 12, конденсатор С12, резистор R35, диод V28, провод 47, управляющий переход тиристора V7, аккумуляторная батарея, «минус» преобразователя напряжения. При запертом тиристоре V22 тиристор V7 отпирается каждый полупериод питающего напряжения и пропускает импульсы тока заряда аккумуляторной батареи с частотой 100 Гц.
Система автоматического ограничения тока заряда и напряжения на батарее сравнивает сигналы, пропорциональные среднему значению тока подзаряда и напряжению на аккумуляторной батарее, с опорным напряжением стабилитрона V23. При этом сигнал обратной связи по току снимается с регулируемого резистора R9, выпрямляется диодным мостом V24 — V27, сглаживается фильтром из дросселя L2 (РН), конденсатора С14 и поступает через разделительный диод V31 на резистор R38.
Сигнал обратной связи по напряжению, снимаемый с делителя напряжения из резисторов R13 — R15, поступает по проводам 19 и 13 через диод V30 на конденсатор С13 и на резистор R38, включенный параллельно стабилитрону V23, через управляющий переход тиристора V22.
Если напряжение на резисторе R38 больше напряжения на опорном стабилитроне V23, откроется тиристор V22, что, в свою очередь, приведет к запиранию тиристорного ключа V7 и пропуску серии импульсов тока подзаряда аккумуляторной батареи. Следующее отпирание тиристорного ключа произойдет лишь тогда, когда контролируемый параметр будет меньше величины уставки, что, в свою очередь, вызовет запирание тиристора V22.
Обратным тиристорным ключом V8 управляет узел, состоящий из дросселя L1 (РН), конденсатора С11, стабилитрона V21 и диода V20. Сглаживающий фильтр L1 — С11 включен на разность напряжений аккумуляторной батареи и преобразователя напряжения. В случае исчезновения питающего напряжения разность этих напряжений станет больше напряжения на стабилитроне V21, и тиристорный ключ V8 откроется током аккумуляторной батареи. Цепи управления получают питание от аккумуляторной батареи сначала через тиристор V8, а после замыкания силовых контактов КМ — минуя тиристор V8.
Из-за задержки на срабатывание контактора КМ до 0,05 с и для исключения нежелательных бросков тока через аккумуляторную батарею на это время искусственно завышается сигнал обратной связи по выходному напряжению. С этой целью резистор R8 шунтируется контактом контактора КМ. После включения контактора КМ его контакты размыкаются, и уставка выходного напряжения возвращается к первоначальной величине.
К этому моменту времени тиристорный ключ V8 будет заперт, так как его анод-катод был зашунтирован силовым контактом контактора КМ. Ток подзаряда аккумуляторной батареи будет протекать только через прямой тиристорный ключ V7.
Чтобы исключить нежелательные провалы и всплески регулируемого выходного напряжения в момент восстановления питающего напряжения, предусмотрена подача сигнала, соответствующего сигналу обратной связи номинального режима (50 ± 0,5 В). Он формируется на параметрическом стабилизаторе R33—V17 и по цепи R32 — КМ:4 — КМ:3 — R26 подается в цепь базы транзистора V13. Таким образом, в момент восстановления питания от выпрямителя угол отпирания тиристоров V1 (V2) соответствует необходимому значению для поддержания среднего выходного напряжения (50 ± 2,5 В). При этом перерегулирование минимально.
Цепь, состоящая из предохранителя F3, тумблера S1 «Включение ШП», предназначена для подачи и снятия напряжения питания на шкаф. Вспомогательный размыкающий контакт контактора КМ 1 — 2, подсоединенный к разъемам Х3:2 и Х3:3 шкафа, выключает цепь сигнализации заряда аккумуляторной батареи «ЗБ» на пульте машиниста. Замыкающий контакт КМ:7 — КМ:8 подсоединяет катушку контактора питания обогрева лобовых стекол электровоза (подобное внедрено с электровоза ЭП1 № 22).
Вольтметр PV с помощью тумблеров S3 и S4 можно подключать как к преобразователю шкафа «Напряжение выпрямителя» и аккумуляторной батареи «Напряжение батареи», так и к цепи преобразователя шкафа другой секции «Аварийно». Для того чтобы вольтметр PV показывал напряжение преобразователя своего шкафа или другой секции, необходимо перевести тумблер S4 в положение «Напряжение выпрямителя».
Конструктивно шкаф питания ШП-21 представляет собой функционально-модульный блок, все элементы которого собраны в едином каркасе. Это облегчило его обслуживание и ремонт, значительно уменьшились габариты.
Для сравнения: на электровозах ВЛ80Т и ВЛ80С ранее применяли распределительные щиты, на которых были установлены преобразователь напряжения, приборы управления и защиты. Трансформаторы и дроссели размещали отдельно в кузове электровоза. На электровозах ВЛ85 до № 230 применяли блок питания БП-6 в двухкорпусном исполнении. По установочным размерам новый шкаф питания ШП-21 полностью взаимозаменяем с блоком питания БП-6.
Канд. техн. наук В.В. ДУБОВ,
инж. А.И. СТРЕЛЬЦОВ, ОАО «ВЭлНИИ»,
инж. В.З. ГАЛАНСКИЙ, ОАО «НПО НЭВЗ»
ВЛ80ск, тк