Автоматизированное регулирование скорости мотор-ветиляторов

В.Н. Михайловский, руководитель проекта ОЦВ, кандидат технических наук
В.Е. Чернохлебов, кандидат технических наук
Б.Я. Кожевников, инженер
В.Ф. Исаев, инженер
Л.М. Лорман, инженер

В рамках Программы ресурсосбережения ОАО «РЖД» грузовые электровозы переменного тока серий ВЛ оснащают системой автоматизированного управления вентиляторами (САУВ), проект которой был разработан совместно специалистами ОЦВ, Проектно-конструкторского бюро локомотивного хозяйства (ПКБ ЛХ) ОАО «РЖД» и ООО «Фирма Локомотив-Модерн».

Система САУВ предназначена для автоматизированного выбора частоты вращения вентиляторов (номинальной или низкой) в зависимости от теплового состояния тяговых двигателей, выпрямительных установок и сглаживающих реакторов. Система контролирует и стабилизирует температурный режим охлаждаемого оборудования, благодаря чему повышается его надежность и соответственно продлевается срок службы. За счет оптимального управления вентиляторами обеспечивается экономия электроэнергии (в среднем около 7% по сети железных дорог).

Рис 1. Снижение расхода электроэнергии на тягу при использовании САУВ на электровозе ВЛ80С в зависимости от массы поезда

Снижение расхода электроэнергии на тягу при использовании САУВ на электровозах ВЛ80С в зависимости от массы поезда показана на рис. 1. Кривая построена по данным контрольных комиссионных поездок электровозов, оборудованных системой САУВ, на различных участках дорог (табл. 1).

Усовершенствованием системы вентиляции электровозов ВЛ80С непосредственно в депо их приписки заняты специалисты ОЦВ и ООО «Фирма Локомотив-Модерн». Они поставляют оборудование, необходимую документацию по эксплуатации, а также стенды и приборы для испытания системы и ее составных частей, осуществляют техническое обслуживание и ремонт САУВ. Расходы на модернизацию одного электровоза ВЛ80С окупаются при последующей его эксплуатации в течение 2-2,5 лет. Финансирование работ предусмотрено Программой по ресурсосбережению ОАО «РЖД». К настоящему времени системой САУВ оборудованы почти половина электровозов ВЛ80 всех индексов.

Таблица 1

Данные контрольных комиссионных поездок электровозов, оборудованных системой САУВ Депо, дорога Участок дороги Экономия электроэнергии (в % от расхода на тягу поездов) Батайск Северо-Кавказской Батайск-Лихая – по всем поездкам 8,54 Лихая-Батайск - по всем поездкам 9,8 Батайск-Лихая – по поездам тяжелее 3600т 6,56 Батайск-Лихая – по порожним поездам 11,1 Батайск-Лихая-Батайск – по всем поездкам 9,27 Лиски Юго-Восточной При массе поезда 4485т 3,75 При порожнем составе 12,1 Лянгасово Горьковской По 15 поездкам с грузовыми поездами от 1200 до 4900т В среднем 14,7 Вологда Северной Порожний состав 10 Груженый состав 4

Специалисты ООО «Фирма Локомотив-Модерн» расширили функциональные возможности системы. Подготовлена техническая документация на модернизацию электровозов ВЛ80С, при которой в каждой его секции САУВ может работать в автономном режиме. Это позволяет сберегать электроэнергию, расходуемую на собственные нужды локомотивов, когда они эксплуатируются по системе многих единиц.

Специалистами ОЦВ, ПКБ ЛХ ОАО «РЖД» и ООО «Фирма Локомотив - Модерн» совместно разработан проект модернизации САУВ электровозов ВЛ80Р, в том числе для эксплуатации по системе многих единиц. САУВ спроектирована и исполнена таким образом, что сможет функционировать на электровозе в составе четырех секций (если это требуется). Система действует на каждой секции в автономном режиме. Основные параметры и технические данные САУВ приведены в табл. 2.

Таблица 2

Основные параметры и технические данные САУВ Наименование Значение Номинальное входное напряжение переменного тока, В 380 Допустимые отклонения входного напряжения переменного тока, В 280-470 Частота входного напряжения, Гц 50 Число фаз входного напряжения 1 Входной ток силового трансформатора, не более, А 35 Номинальное выходное фазное напряжение переменного тока на выходе преобразователя, В 65 Число фаз напряжения переменного тока на выходе преобразователя 3 Номинальная частота трехфазного напряжения на выходе преобразователя, Гц 16,66 Выходной ток преобразователя, не более, А 120 Потребляемая САУВ мощность, не более, кВ•А 16 Номинальное напряжение постоянного тока цепей управления САУВ, В 50 Допустимое отклонение напряжения цепей управления САУВ, В 40-65 Уставки по температуре °С для переключения на частоту вращения вентиляторов:   номинальную 85 ± 2 низкую 75 ± 2 начальная уставка тепловых моделей 80 ± 2

В зависимости от теплового состояния силового оборудования электровоза система САУВ регулирует расход охлаждающего воздуха, изменяя скорость вращения приводных двигателей вентиляторов МВ1- МВ4 (рис. 2). Кассета МКУ-22.1 вычисляет величину превышения температуры одновременно шести элементов оборудования (выпрямительной установки, сглаживающих реакторов и четырех частей тяговых двигателей – обмоток якорей, главных и добавочных полюсов, компенсационных обмоток) и настраивает расход охлаждающего воздуха по максимально нагретому элементу (на номинальную или низкую частоту вращения вентиляторов). Превышение температуры вычисляется на основании информации о величинах тока от датчиков тока 818 и 819 в виде напряжения пропорционального тяговому току, а также о расходе охлаждающего воздуха от датчиков вентиляции 814.1 – 814.4.

Рис. 2. Функциональная схема САУВ на электровозе ВЛ80С

Система САУВ имеет две ступени расхода воздуха – номинальный и низкий (треть от номинального), чему соответствует номинальная и низкая частоты вращения вентиляторов МВ1 - МВ4. При номинальной частоте вращения (1400 об/мин) вентиляторы питаются от трехфазного напряжения 380 В, 50 Гц (шины С1 – С3) электровоза через штатные контакторы 127 – 130 (контакторы 827 – 830 в этом случае отключены). При низкой частоте вращения (480 об/мин) мотор-вентиляторы запитываются от тиристорного преобразователя частоты блока БУВ-22.1 через контакторы 827 – 830 (контакторы 127 – 130 в этом случае отключены). Тиристорный преобразователь блока БУВ-22.1 совместно с силовым трансформатором 810 создает симметричную трехфазную систему напряжения 65 В, 16,66 Гц. Тиристорные преобразователи управляются импульсами, генерируемыми кассетой МКУ-22.1. Трансформатор 810 подключен к обмотке собственных нужд тягового трансформатора электровоза с помощью контактора 808 типа МК2-20 через предохранитель 803 и тепловое реле 809.

При функционировании мотор-вентиляторов МВ1 – МВ4 и выключенном мотор-компрессоре МК электровоза возникает несимметричный режим работы маслонасоса МН тягового трансформатора, приводящий к включению его тепловой защиты, которая разбирает силовую схему. Чтобы исключить такой режим, в фазу С205 маслонасоса установлен дроссель 820.

Включается система САУВ тумблером SA1 «Вкл.САУВ» на блоке БИ-36. В этом случае срабатывают контактор 808 и реле 823 на ПП-25, которые затем становятся на самопитание. Контактор 808 подключает первичную обмотку трансформатора 810, а реле 823 – трансформатор синхронизации Т к цепям 380 В, 50 Гц электровоза. После поднятия токоприемника и включения главного воздушного выключателя напряжение 380В переменного тока поступает на первичные обмотки силового трансформатора 810 трансформатора синхронизации Т.

Рис. 3. Алгоритм управления реле, обеспечивающих переход с одного режима работы мотор-вентиляторов на другой

Когда система САУВ включается, температура на УТ блока БИ-36 в кабине устанавливается равной 80 °С. При включенных вентиляторах, собранной схеме «Тяга» и отсутствии тягового тока температура уменьшается. После того как она достигнет 75°С, начинается автоматический цикл переключения мотор-вентиляторов на низкую частоту вращения, длящийся 12 с и состоящий из шести тактов, каждый из которых длится 2 с. Алгоритм перехода с одного режима САУВ на другой приведен на рис. 3

	такт I - включаются реле К2 на панелях реле ПР-21, ПР-22 и своими контактами шунтируют блокировки контакторов 129, 130 в цепях линейных контакторов 51 – 54 маслонасоса 133;
	такт II – срабатывают реле К3, которые включают промежуточные реле 259.1 и 259.2 , которые, в свою очередь, отключают контакторы 129 – 130;
	такт III – включаются реле К1. Эти реле включают реле 859 и вакуумный контактор 806, который подготавливает цепи питания всех мотор-вентиляторов секции 1 к работе на низкой частоте вращения;
	такт IV – срабатывают реле К4, которые включают контакторы 829 и 830;
	такт V – двухсекундная выдержка перед включением реле К5;
	такт VI – срабатывают реле К5, они включают контакторы 827 и 828.

Через 12 с реле К2 и К5 отключаются. Включенными остаются только реле К1, которые обеспечивают включенное состояние контакторов 827 – 830 и тем самым низкую частоту вращения вентиляторов. Цикл переключения завершен. Через 20 с после завершения цикла переключения в работу включается БУВ-22.1, который обеспечивает питание всех мотор-вентиляторов на низкой частоте вращения.

При движении электровоза и повышении тяговой нагрузки увеличивается температура охлаждаемого оборудования. Когда она достигнет 85°С, начинается автоматический цикл переключения вентиляторов с низкой частоты вращения на номинальную. Все мотор-вентиляторы отключаются, а затем включаются сначала МВ1 и МВ2, а позднее – МВ3 и МВ4. Цикл переключения мотор-вентиляторов с низкой частоты вращения на номинальную аналогичен изложенному выше. Если мотор-вентиляторы работали в режиме низкой частоты вращения и по каким-либо причинам сработало тепловое реле 809, то САУВ автоматически переводит мотор-вентиляторы в режим номинальной частоты вращения. Сигналом для такого перехода будет подача 50В через замкнувшуюся блокировку контактора 808 в кассету МКУ-22.1.

Если мотор-вентиляторы работали на низкой частоте вращения, то при переводе электровоза в режим «Реостатное торможение» они автоматически переключаются на номинальную частоту вращения. При переводе электровоза в режим «Тяга» вентиляторы автоматически переводятся на низкую частоту вращения.

Известно, что сглаживающие реакторы электровозов являются наиболее чувствительными элементами силовой схемы к изменению или отсутствию охлаждения. Неправильная регулировка системы вентиляции или обратное вращение мотор-вентиляторов в эксплуатации может привести к перегреву реактора или его возгоранию независимо от наличия системы САУВ. Поэтому на электровозах ВЛ85 заводом-изготовителем устанавливались термозащитные реле типа РТ3-32, но они оказались малоэффективны, так как находятся в воздушном потоке и срабатывают уже при пожаре. На электровозах ВЛ80С,Т,Р таких защит вообще нет.

Рис. 4. Блок-схема СТЗР

1 - шинопровод реактора; 2 - датчик температуры; 3 - блок гальванической развязки; 4 - исполнительное реле

Фирмой «Локомотив-Модерн» в 2002-2003 гг. была разработана система СТЗР тепловой защиты реактора (рис. 4), в которой специальные датчики температуры устанавливаются непосредственно на шинопроводе реакторов. Принцип работы защиты заключается в предотвращении режимов повышенного нагрева шинопровода реактора при недопустимых режимах в силовой схеме электровоза.

СТЗР может функционировать как самостоятельным блоком, так и во взаимодействии с системой САУВ, если электровоз ею оборудован. При недопустимом нагреве шинопровода какого-либо реактора система САУВ в обязательном порядке будет переведена в режим номинальной частоты вращения мотор-вентиляторов.

Система СТЗР прошла полный цикл испытаний на Восточно-Сибирской (депо Нижнеудинск) и Южно-Уральской (депо Карталы) дорогах. ООО «Фирма Локомотив-Модерн» изготовила комплекты системы, которыми были оборудованы 9 электровозов ВЛ85 в локомотивном депо Нижнеудинск (в 2003г.) и 2 электровоза ВЛ80С в локомотивном депо Карталы (в 2004г.). Электровозы успешно эксплуатируются по настоящее время.

На Российских железных дорогах в рамках Программы ресурсосбережения модернизируются также и электровозы постоянного тока ВЛ10 и ВЛ10У. Они оснащаются автоматизированными системами (АСУВ) управления вентиляторами, которые охлаждают тяговые двигатели и другое электрическое оборудование. Модернизация позволяет сберегать электроэнергию на вспомогательные нужды за счет более рационального использования мощности вентиляторов. Система АСУВ позволяет автоматически выбирать режим работы вентиляторов электровоза (низкая или высокая скорость) в зависимости от теплового состояния тяговых двигателей и автоматически управлять выключением и включением вентиляторов в зависимости от степени разряженности аккумуляторной батареи при «горячем отстое» электровоза. Основные параметры и технические данные системы приведены в табл. 3.

Специалисты ООО «Фирма Локомотив-Модерн» проводят модернизацию эксплуатируемого парка непосредственно в депо. К настоящему времени системой АСУВ оборудовано более 1500 локомотивов, которые работают на Октябрьской, Северной, Южно-Уральской и Западно-Сибирской дорогах. Автоматизированная система управления вентиляторами функционирует надежно и помогает локомотивным бригадам экономичнее расходовать электроэнергию на тягу поездов. Эффективность от модернизации одного электровоза ВЛ10 высока: капитальные затраты, вложенные в оснащение его системой АСУВ, окупаются в течение 12-15 месяцев.

Рис. 5. Схема цепей управления вентиляторами электровоза ВЛ10 с системой АСУВ

Рассмотрим устройство и работу АСУВ на электровозе ВЛ10 (рис. 5). Система включает в себя блок управления вентиляторами 800-2 типа БУВ-6, который является основной частью АСУВ, в нем размещены органы управления и элементы индикации работы. Система располагает также датчиком тока 801-2 типа ДИТ-750Ж, который служит для бесконтактного преобразования тока в его шине в электрический сигнал. Кроме того, имеются указатели превышения температуры УТ 802-1 и УТ 802-2, позволяющие машинисту контролировать тепловое состояние тяговых двигателей и исправность АСУВ.

В режиме тяги переключатель SA1 на блоке БУВ-6 должен быть установлен в верхнее положение «автом» (при этом загорается зеленый индикатор «АСУВ»), а тумблер SA2 - в нижнее «откл». Кнопка «Низкая скорость вентиляторов» кнопочного выключателя 81-1 (или 82-2) на пульте машиниста секции 1 (или 2) должна быть также включена.

Входной информацией для системы АСУВ в этом режиме является электрический сигнал датчика 801-2, силовая шина которого включена в цепь якорей тяговых двигателей 7 и 8. Выработанное датчиком напряжение поступает в блок БУВ-6. По сигналу текущего значения тока тягового двигателя в блоке моделируется превышение температуры якоря над температурой охлаждающего воздуха по кривым нагревания и охлаждения якорных обмоток двигателя ТЛ-2К1. Сигнал текущего превышения температуры якоря сравнивается с уставками переключения на высокую скорость вентиляторов (80 °С) и возврата на низкую скорость вентиляторов (75 °С). Затем происходит автоматический выбор режима скорости вентиляторов.

Если текущее превышение температуры составляет не более 80° С, блок БУВ-6 включает низкую скорость вращения вентиляторов с помощью штатного переключателя вентиляторов 59-2. Переключение осуществляют реле К1 и К2, выполняющие роль штатных кнопочных выключателей «Низкая скорость вентиляторов» и «Высокая скорость вентиляторов».

Когда текущая температура превысит 80 °С, блок БУВ-6 выключит низкую скорость вентиляторов и включит высокую, воздействуя на переключатель вентиляторов 59-2. В случае снижения текущего превышения температуры до 75 °С блок выключит высокую скорость вентиляторов и включит низкую, воздействуя на переключатель вентиляторов 59-2. Текущее превышение температуры тяговых двигателей выводится из блока БУВ-6 на указатели 802-1 и 802-2. При этом обеспечивается контроль машинистом теплового состояния двигателей и исправности системы АСУВ.

При работе системы в режиме «горячий отстой» переключатель SA2 «гор.отстой» на блоке БУВ-6 должен быть установлен в верхнее положение «вкл». Остальные органы управления должны находиться в таком же положении, как и при работе в режиме тяги.

Входной информацией для функционирования системы является напряжение аккумуляторной батареи, поступающее в блок БУВ-6. Здесь оно сравнивается с уставками ее разряда 44 – 45 В (включение вентиляторов) и заряда 57 – 58 В (выключение вентиляторов). Далее соответственно автоматически включается или выключается низкая скорость вращения вентиляторов.

Если текущее значение напряжения батареи больше уставки ее разряда, но меньше уставки заряда, то блок БУВ-6 выключает низкую скорость вентиляторов, обесточивая цепь Н97 переключателя вентиляторов 59-2 с помощью реле К2. В этом случае двигатели вентиляторов, а также генераторы управления не работают, и цепи управления электровоза питаются от аккумуляторной батареи.

При снижении текущего значения напряжения батареи до уставки ее разряда блок БУВ-6 через реле К2 включает низкую скорость вентиляторов, а также генераторы управления. Начинается цикл зарядки аккумуляторной батареи. Когда текущее значение напряжения достигает уставки заряда батареи, блок через реле К2 выключает низкую скорость вентиляторов. Двигатели вентиляторов, а также генераторы управления выключаются. Начинается цикл разрядки аккумуляторной батареи.

В соответствии с Программой ресурсосбережения в текущем году намечено оборудовать системами автоматического управления мотор-вентиляторами в общей сложности 2245 электровозов ВЛ80, ВЛ85, ЧС4Т и ВЛ10 на семи железных дорогах.