Автоматическое регулирование напряжения в тяговом электроснабжении

Введение
В настоящее время системы автоматического управления (САУ) получают на электроподвижном составе (э.п.с.) все более широкое распространение. САУ скорости и тока тяговых электродвигателей (т.э.д.) имеются на новых электровозах всех серий, начиная с ВЛ85; САУ постоянно совершенствуются, усложняются и будут использоваться на перспективном э.п.с. всех последующих серий, как постоянного так и переменного тока.
Это предъявляет к инженерно-техническому персоналу железнодорожных предприятий все более высокие требования по уровню подготовки в области автоматизации э.п.с. Знание устройства и принципов работы автоматизированных систем, основ их проектирования и разработки является неотъемлемой частью квалификации современного специалиста в области электрического транспорта.
Целью данной курсовой работы является разработка системы автоматического регулирования скорости электровоза постоянного тока, с тяговыми двигателями последовательного возбуждения в режиме тяги и управлением напряжения.
Принципиальная схема дает представление о составе системы, подлежащей автоматизации, и принципе включения в неё устройств автоматики. Одинаковые силовые устройства, встречающиеся в схеме несколько раз (например, полупроводниковые преобразователи), достаточно изобразить подробно однократно, а в дальнейшем показывать их условно. Это же относится к повторяющимся элементам системы автоматики, например, к датчикам тока.
Для многосекционных электровозов схему достаточно составить для одной секции.
В данной работе рассматривается система автоматического регулирования напряжения переменного тока. Однофазный трансформатор с вольтодобавочным регулируемым трансформатором с плавным «реакторным» РПН.
1. Разработка функциональной схемы системы автоматического регулирования напряжения

1.1 Разработка функциональной схемы САР
Функциональная схема предназначена для описания принципа работы разрабатываемой САУ. Она составлена на основе упрощенной принципиальной схемы.
В функциональной схеме выделены и отражены все функциональные устройства системы и представлены цепи автоматического регулятора. Цепи воздействий обозначены теми координатами (показателями тех физических процессов), по которым эти воздействия осуществляются.
На рассматриваемом э.п.с. имеется 6 объектов управления, представляющие собой двигатели последовательного возбуждения. Воздействие на каждый из них осуществляется по двум каналам Uк - напряжение на зажимах тягового двигателя и в - регулирование возбуждения. Для этого в системе регулирования включены следующие регуляторы:
РС - регулятор скорости. Выполняет групповое управление всеми тяговыми двигателями и обеспечивает стабилизацию до выхода на автоматическую характеристику, т.е. Uк=Uкн.
РВО - регулятор возбуждения общий. Вступает в работу после выхода на автоматическую характеристику и выполняет стабилизацию скорости путем изменения в на всех тяговых двигателях.
РВИ1-РВИ6 - регуляторы возбуждения индивидуальные. Выполняют индивидуальное регулирование вi на каждом тяговом двигателе так, чтобы обеспечивать выравнивание скоростей.
Выходные координаты тяговых двигателей х1-х6 поступают на соответствующие ИУ1-ИУ6, сигналы U2-1-U2-6 с выхода которых проходят на промежуточное устройство ПУ2. Это устройство выбирает из всех сигналов сигнал U2м пропорциональный наименьшей скорости, т.к. сигнал большей скорости провоцирует срыв сцепления. Сигнал U2м является сигналом главной обратной связи и поступает на вход устройства сравнения УС1. Сигнал ДU c выхода этого устройства поступает на вход ПУ1, который вначале пропускает его на регулятор скорости РС, а после выхода на автоматическую характеристику (после того как Uк=Uкн) ПУ1 пропускает ДU на РВО.
Выходной сигнал Uр2 складывается с выходными сигналами РВИ1-РВИ6. Результаты сложения поступают на входы соответствующих управляющих устройств УУ2-i, которые формируют индивидуальные сигналы управления для каждого тягового двигателя б2-i.
Эти сигналы управляют работой ИсУ2-i, выполняющих индивидуальное регулирование поля тяговых двигателей вi. Под действием вi выполняется выравнивание скоростей двигателей. На входы РВИ1-РВИ6 поступают сигналы ДUi, характеризующие отклонение скорости от наименьшего значения, поэтому сигналы на выходах этих регуляторов определяют степень индивидуального воздействия на каждый двигатель для выравнивания скоростей.
Функциональная схема подразделяет систему на отдельные функциональные устройства в соответствии с выполняемыми ими функциями и предназначена для описания принципа работы САУ.
1.2 Разработка алгоритма работы САР
Автоматическая система регулирования электрической передачи имеет один контур регулирования; в тяговом режиме это контур регулирования напряжения тягового генератора Ud [4]. Она формирует требуемые регулировочные характеристики тягового генератора: /вг = f{Id), где /вг — ток возбуждения генератора, Id — ток на выходе ВУ.
Дизель Д, тяговый генератор СГ, выпрямительная установка ВУ и тяговые электродвигатели ТЭД образуют энергетическую цепь. Поскольку все ТЭД включены на напряжение ВУ, Id = 61а, где 1а — ток якоря ТЭД.
Ток 1а зависит от напряжения на ВУ Ud и частоты вращения его якоря лтэд; в тяговом режиме

где се, Фд, Л,.эд — соответственно конструктивная постоянная, магнитный поток и сопротивление обмоток тягового электродвигателя.
При изменении режима движения тепловоза (из-за изменения сопротивления движения) меняется 1а, поэтому его значение можно рассматривать как сигнал о внешнем воздействии (возмущение).
Центральным блоком системы регулирования является селективный узел СУ. Кроме того, система содержит:
— бесконтактное тахометрическое устройство, которое выполняет функции блока задания возбуждения БЗВ;
— датчики напряжения тягового генератора и тока тяговых электродвигателей (трансформаторы постоянного напряжения ТПН и тока ТПТ), в качестве которых используются простейшие магнитные усилители;
— корректирующее устройство (индуктивный датчик ИД), в качестве которого используется датчик переменной индуктивности;