UPZ dla EP09 (archeo)
zeus04
mgr inż. Maciej Dobrowolski
Ośrodek Badawczo-Rozwojowy Pojazdów Szynowych w Poznaniu
"Sterowanie lokomotywą elektryczną z rozruchem stycznikowym przy automatycznej
regulacji prędkości
UKD:629.423.1:629.4.053
Automatyzacja regulacji prędkości pociągów ma największe zastosowanie dla
pojazdów przeznaczonych do dużych prędkości, gdy długie odcinki mogą być
przejeżdżane ze stałą prędkością. Biorąc pod uwagę wielkości nakładów,
automatyzacja najczęściej obejmuje fazę rozruchu i utrzymania prędkości
zadanej. Natomiast hamowanie na przystankach jest wykonywane ręcznie przez
maszynistę.
W warunkach polskich dla największych prędkości są i będą wykorzystywane
lokomotywy elektryczne.
Jak wykazały studia, tyrystorowy rozruch impulsowy w lokomotywach prowadzących
pociągi dalekobieżne nie daje wyraźnych korzyści w porównaniu z rozruchem
rezystorowym. Natomiast lokomotywy z tyrystorowym rozruchem impulsowym są
znacznie droższe i mają mniej korzystne wskaźniki objętościowe i ciężarowe. W
lokomotywach elektrycznych dużej mocy prądu stałego najczęściej stosuje się
zwieranie rezystorów za pomocą indywidualnie sterowanych styczników z napędem
pneumatycznym. Podstawową korzyścią z zastosowania układu prędkości zadanej
jest znaczne podniesienie bezpieczeństwa ruchu dzięki odciążeniu maszynisty w
sterowaniu dla lepszej obserwacji sygnalizatorów przytorowych. Jednocześnie
poprawia się regularność biegu pociągów. Ponadto jest możliwe uzyskanie
oszczędności energii przez optymalny wybór logiki sterowania.
Przy rozwiązywaniu układu prędkości zadanej (UPZ) należy uwzględnić
następujące czynniki:
- właściwości i zadania trakcyjne lokomotywy,
- system sterowania lokomotywą,
- automatyzację rozruchu lokomotywy,
- automatyzację hamowania,
- czujniki i sposoby pomiaru prędkości i przyspieszenia,
- logikę sterowania napędem i hamowaniem,
- warunki pracy regulatora w pobliżu prędkości zadanej,
- uzyskaną jakość regulacji prędkości przy uwzględnieniu częstości pracy
aparatury i możliwości uzyskania oszczędności energii elektrycznej.
Właściwości i zadania trakcyjne lokomotywy
Istotnymi cechami lokomotyw z punktu widzenia automatyzacji są: stopień
pokrycia obszaru F = f(v) charakterystykami trakcyjnymi oraz wszystkie
ograniczenia pracy w obszarze charakterystyk, jak: przyczepność, prąd ciągły i
krótkotrwały, dopuszczalna praca na pozycjach rezystorowych, zróżnicowanie
charakterystyk pod względem sprawności.
Ważną cechą lokomotywy jest liczba jej charakterystyk oraz pochylenie tych
charakterystyk w układzie F = f(v).
Celem każdej regulacji jest minimalizacja przyspieszenia przy prędkości
zbliżonej do prędkości zadanej. Zwiększenie liczby charakterystyk trakcyjnych
oraz ich płaskie położenie sprzyjają osiągnięciu minimalnego przyspieszenia. W
lokomotywach prądu stałego BoBo, z przełączaniem szeregowo-równoległym za
pomocą mostka, liczba pozycji przy połączeniu szeregowym jest 2 razy większa
niż przy równoległym. Stąd też przy połączeniu równoległym istnieje większa
nierówność rozruchu. Dla polskiej uniwersalnej lokomotywy BoBo serii EU07
pochylenie charakterystyk zmienia się w znacznych granicach od K = 0,5 kN/km/h
do
K = 25 kN/km/h,
gdzie:
K= delta F/delta v
Pochylenie charakterystyk i ich zagęszczenie decydują o wartości skoku
jednostkowego siły przy przechodzeniu na sąsiednią pozycję, co przy
uwzględnieniu masy pociągu pozwala się zorientować co do jednostkowego skoku
przyspieszenia. Największe jednostkowe skoki siły w wyżej omawianej
lokomotywie uniwersalnej wynoszą na charakterystykach osłabienia wzbudzenia od
10 do 45 kN. Daje to dla pociągów towarowych o masie 2000 ton skoki
przyspieszenia rzędu 0,5-2,25 cm/s2, a dla pociągów pasażerskich 500 ton rzędu
2-9 cm/s2. Jak widać, są to wartości małe i trudne do zmierzenia.
Przy dążeniu do wykrycia zmian przyspieszenia w obszarach o większym
zagęszczeniu charakterystyk należałoby mierzyć jeszcze mniejsze wartości
przyspieszenia. Przesądza to o niemożliwości bezpośredniego sterowania w
zależności od przyspieszenia szczątkowego. Szczególnie trudna sytuacja jest w
pociągach towarowych, gdzie ponadto należy się liczyć z pulsacją
przyspieszenia ze względu na dynamikę wzdłużną pociągu. Ze względu na
istnienie rozruchu rezystorowego, w lokomotywach elektrycznych należy dążyć do
jazdy na pozycjach bezrezystorowych. W przypadku konieczności utrzymania
małych prędkości, odpowiadających szeregowym pozycjom rezystorowym -
minimalizację zużycia energii uzyskuje się przez najbardziej intensywne
dojście do prędkości zadanej przez pracę przy dużym prądzie rozruchowym. W
efekcie następuje praca na wyższych charakterystykach rezystorowych o większej
sprawności.
Inną, istotną sprawą jest właściwa decyzja, kiedy należy korzystać z
pośrednich charakterystyk osłabienia wzbudzenia, a kiedy należy kontynuować
pracę na pozycjach rezystorowych równoległego połączenia. Należy zdecydować,
czy celowa jest próba osiągnięcia zadanej prędkości przy wykorzystaniu
osłabienia wzbudzenia przy szeregowym połączeniu. Decyzję taką powinien wydać
układ logiczny w zależności od położenia charakterystyk osłabienia wzbudzenia
w stosunku do prędkości zadanej. Należy przy tym brać pod uwagę, że uzyskanie
tej samej mocy na pozycjach osłabienia w szeregowym połączeniu wymaga
podwójnego prądu, a to może prowadzić do przegrzania silników szczególnie w
ruchu towarowym. Należy także uwzględnić sprawności ostatnich stopni
rezystorowych połączenia równoległego, które mogą mieć korzystny przebieg.
Podobnie przy wycofywaniu się z pozycji równoległego połączenia należy
prawidłowo ocenić możliwość zastosowania osłabienia wzbudzenia przy połączeniu
szeregowym.
System sterowania lokomotywą
W lokomotywach elektrycznych prądu stałego rzadko stosuje się automatyzację
rozruchu. W lokomotywie PKP EU07, jako w lokomotywie uniwersalnej, zastosowany
był sekwencyjny układ samoczynnego rozruchu z wykorzystaniem czułego
przekaźnika samoczynnego rozruchu. Dla potrzeb UPZ konieczne jest zastosowanie
rozruchu samoczynnego, powodującego nie tylko włączanie, lecz także i
zmniejszanie kolejno pozycji.
W tym celu jako optymalne rozWiązanie przyjęto pośrednie sterowniki z napędem
silnikowym. Jeden sterownik służy do sterowania stycznikami oporowymi i
grupowania silników, drugi steruje stycznikami osłabienia wzbudzenia.
Podstawowym wymaganiem wobec sterowników jest otrzymanie dużej prędkości
manewrów przy jednocześnie precyzyjnej "fiksacji" pozycji. Tę ostatnią
otrzymano przez zastosowanie hamowania elektrycznego.
Przy tak zwanym ruchu krokowym, gdzie potrzebna jest ścisła "fiksacja"
pozycji, możliwy jest minimalny okres międzypozycyjny około 0,3 s. Natomiast
przy ruchu szybkim - ciągłym, gdzie nie jest wymagane ścisłe ustalenie
pozycji, osiągany jest okres rzędu 0,1 s. Sterownik pośredni zastępuje niejako
nastawnik maszynisty, który obecnie ma inne funkcje. W położeniu wału
kierunkowego "automatyka" nastawnik główny służy do przyzwolenia jazdy
(bezpośrednie wysterowanie styczników liniowych). Następnie na kilku pozycjach
nastawnik główny wysterowuje coraz większe nastawy prądowe. Ten sam nastawnik
służy w warunkach awaryjnych do prowadzenia jazdy ręcznej. Uznano wtedy za
konieczne bezpośrednie sterowanie wszystkich pozycji za pomocą nastawnika.
Wystarczy więc przestawić rączkę kierunkową w położenie "ręczne", a wał główny
wysterowuje wszystkie pozycje rezystorowe i jednocześnie zostaje odblokowany
wał osłabienia wzbudzenia, którym można wysterować osłabienie wzbudzenia.
Prędkość jest natomiast zadawana za pomocą oddzielnego zadajnika prędkości,
który zadaje prędkości co 10 km/h. Podczas jazdy automatycznej można dwojako
wpływać na pracę sterowników - przez zmianę:
- prędkości zadanej, '
- nastawy prądowej. .
Dzięki zmianie nastawy prądowej jest praktycznie możliwe ręczne sterowanie
rozruchem ciężkiego pociągu towarowego, przez co zapewnia się stopniowe
włączanie pozycji, a nawet w miarę konieczności wycofywanie pozycji.
Automatyzacja rozruchu lokomotywy
Automatyzację rozruchu lokomotywy osiąga się przez kontrolę prądu w jednej
gałęzi silników trakcyjnych. Dla określonej wartości zadanej prądu istnieją
zawsze 2 graniczne wartości prądu: maksymalna i minimalna.
Jeśli została przekroczona wartość maksymalna, sterowniki zostają wysterowane
na cofanie. Jeśli prąd ma mniejszą wartość od wartości minimalnej, następuje
wysterowanie sterownika w górę. Jeśli prąd przyjmuje wartość Imin < I < Imax,
sterownik pozostaje w miejscu.
Celem zapewnienia stabilności pracy sterownika delta I = Imax -Imin powinna
być większa od wartości zmiany prądu pomiędzy pozycjami. Konieczne jest
stosowanie dużej dokładności pomiaru (+/-10 A) i zminimalizowanie błędu
pomiaru, pomimo stosowania bardzo szerokiej zmienności nastawy prądu
rozruchowego. Do pomiaru zastosowano precyzyjny przetwornik U/f współpracujący
z cyfrowym układem zadawania i regulacji prądu. Przy pomiarze prądu
trakcyjnego osiąga się następujące parametry:delta I = Imax - Imin = 150 A,
błąd pomiaru +/-10 A.
Automatyzacja hamowania
Stosowanie hamowania dla utrzymania prędkości zadanej jest koniecznością przy
jeździe na dużych spadkach lub przy zadaniu nowej mniejszej prędkości.
Oddziaływanie na napęd i hamowanie jest ustawione w następującej kolejności:
zmniejszenie siły napędowej, przejście na wybieg, zwiększenie siły hamowania.
Hamowanie może być pneumatyczne lub elektrodynamiczne. Hamowanie
elektrodynamiczne oddziałuje tylko na zestawy kołowe lokomotywy. Natomiast
hamowanie pneumatyczne daje większy efekt ze względu na możliwość
oddziaływania na wszystkie zestawy kołowe pociągu. Hamowanie pneumatyczne przy
oddziaływaniu na zestawy kołowe pociągu ma jednak tę wadę, że ma znaczne
zwłoki w działaniu i to tak przy włączaniu, jak i przy wyłączaniu. Opóźnienie
przy włączaniu hamulca prowadzi do przeregulowania prędkości w górę. Natomiast
opóźnienie wyłączania hamulca pneumatycznego prowadzi do znacznych
przeregulowań prędkości w dół. Trudności te występują w sposób zasadniczy przy
ciężkich pociągach towarowych, bowiem znaczne przeregulowanie prędkości w dół
nie tylko powoduje nieuzasadnione włączenie napędu, ale zdarzają się nawet
przypadki zatrzymania pociągu przy jeździe z małymi prędkościami. Z tych
względów dąży się do maksymalnego wykorzystania hamowania
elektrodynamicznego, które nie ma tych wad i jest łatwe w regulacji.
Hamowanie pneumatyczne można praktycznie stosować jako uzupełniające do
hamowania elektrodynamicznego i to tylko w pociągach pasażerskich. Zupełnie
wystarczające może być wysterowanie hamulca elektrodynamicznego z UPZ.
Natomiast dodatkowego hamowania pneumatycznego może w miarę potrzeby dokonać
maszynista na podstawie sygnałów z UPZ. Powinno się dążyć, by hamulec
elektrodynamiczny był efektywny w dużym przedziale prędkości i łatwo
sterowalny. Uzyskuje się to najłatwiej przy obcym wzbudzeniu.
Czujniki i sposoby pomiaru prędkości i przyspieszenia
W układach prędkości zadanej jest istotne uzyskanie pomiaru prędkości i
przyspieszenia. Pożądana jest dokładność pomiaru prędkości obwodowej kół rzędu
ułamka km/h, natomiast dokładność pomiaru przyspieszenia powinna być rzędu
ułamka 1 cm/s2. Pomiar liniowej prędkości pojazdu nie jest możliwy
praktycznymi sposobami i należy zadowolić się pomiarem prędkości kątowej kół.
Ze względu na zużywanie się obręczy kół jest konieczne stosowanie
wielostopniowego urządzenia kompensującego. Jednocześnie dla wyeliminowania
wpływu poślizgu na pomiary stosuje się co najmniej dwa kanały pomiaru
prędkości z różnych kół. Przy każdym cyklu pomiarowym należy wybrać miarodajną
prędkość. W przypadku jazdy z napędem będzie to prędkość wolniejszego koła, a
przy hamowaniu prędkość szybszego koła. W celu uzyskaniania wysokiej klasy
pomiaru prędkości preferuje się cyfrowe metody jej pomiaru za pomocą zliczania
impulsów w określonym okresie pomiarowym. Stosuje się - ze względu na dużą
odporność - elektromagnetyczne czujniki reluktancyjne. Czujniki te
wykorzystują fakt indukowania prądu przemiennego w cewce nawiniętej na
magnesie, przed którym obraca się uzębiona tarcza z materiału
ferromagnetycznego.
Najkorzystniejsze jest umieszczenie czujników w maźnicach kół. Udaje się tu
praktycznie zastosować do około 120 zębów w tarczy ferromagnetycznej. Praca
czujników może być ograniczona do dołu oraz do góry. Przy małych
częstotliwościach poziom napięcia jest zbyt mały. Natomiast przy uzwojeniu
cewki zbyt dużą liczbą zwojów następuje odkształcenie krzywej napięcia ze
względu na pasożytnicze pojemności. Błędy pomiarowe wynikają z błędów
kwantyzacji oraz z błędu dynamicznego (metody). Błąd kwantyzacji wynika z
możliwości odchyłki o 1 impuls. Błąd dynamiczny zależy od prędkości zmiany
mierzonego parametru. W przypadku prędkości będzie to przyspieszenie, a w
przypadku przyspieszenia - pochodna przyspieszenia. Całkowity błąd pomiaru
prędkości ma postać:
delta v=(delta N/fo)+5,4 x a x T
(2)
gdzie:
delta v- błąd pomiaru prędkości w km/h, delta N - +/-1 impuls, fo -
częstotliwość impulsowania przy v = 1 km/h,
T - czas pomiaru w sekundach, a - przyspieszenie obwodowe koła w m/s2.
Dla danego fo i a istnieje jeden optymalny okres pomiaru T. Przy pomiarach
prędkości w pobliżu prędkości zadanej przyspieszenia są minimalne. Przyjmuje
się na ogół okres pomiaru T rzędu 0.25 s. Błąd kwantyzacji pomiaru
przyspieszenia ma postać:
delta am = 2 delta N/0,9 x fo x T^2
(3)
Jak widać, także dla zwiększania dokładności pomiaru przyspieszenia jest
konieczne zwiększenie fo. Natomiast dokładność ta zależy w kwadracie od okresu
pomiaru T. Ze względów praktycznych czas pomiaru przyspieszenia wynosi
1-2 s.
Stwierdzono fakt nierównomierności biegu kół. co powoduje pulsację prędkości,
a szczególnie przyspieszenia. Stanowi to praktyczną granicę dokładności
pomiaru przyspieszenia. Jednocześnie wydłużenie okresu pomiaru przyśpieszenia
jest korzystne - powoduje uśrednienie mierzonej wartości, chociaż mniej
uwzględnia dynamikę.
Logika sterowania napędem i hamowaniem
Ze względu na niejednorodność charakterystyk napędowych i hamowania, w
lokomotywach prądu stałego z rozruchem rezystorowym musi być rozbudowany blok
logiki regulatora. I tak w zakresie szeregowego połączenia rezystorowego
należy zapewnić szybki rozruch i zmniejszyć liczbę łączeń aparatury, aby
ewentualnie łatwiej osiągać pozycje ekonomiczne przez znieczulenie układu
utrzymania prędkości.
Następnym zadaniem bloku logiki jest przeprowadzenie prób możliwości
prowadzenia jazdy ekonomicznej na bocznikach połączenia szeregowego i to w obu
przypadkach, tj. konieczność podnoszenia lub zmniejszania siły pociągowej.
Układ powinien także decydować, kiedy należy stosować ruch szybki lub wolny, a
kiedy ruch krokowy sterownika pośredniego. W przypadku poślizgu blok logiki
powinien zatrzymać sterownik pośredni, a nawet wysterować jego cofanie.
Układ logiki powinien także wysterować odpowiednio małe stopnie hamowania
elektrodynamicznego, aby wyliminować zużycie aparatury zbyt częstymi
przejściami z hamowania na wybieg.
W celu przyspieszenia manewrów przy pracy automatyki przy wysterowaniu wybiegu
oraz w celu uniknięcia szarpnięć - wyłączenie styczników liniowych następuje
dopiero po cofnięciu sterownika pośredniego o kilka pozycji. Rozwiązanie
logiki i regulatora idzie w tym kierunku, aby utrzymać odpowiednio prędkość i
zużycie energii na poziomie lepszym niż może to uzyskać maszynista. Ponadto
przy dobrej pracy układu regulacji przy wyborze pozycji dających prędkość
ustaloną - zbliżoną do prędkości ustalonej - uzyskuje się zmniejszoną liczbę
łączeń, a jednocześnie większe zbliżenie wartości prądu skutecznego do
wartości średniej prądu, co umożliwia lepsze cieplne wykorzystanie silnika
trakcyjnego.
Warunki pracy regulatora w pobliżu prędkości zadanej
Właściwe utrzymywanie prędkości zadanej następuje w strefie około 4 km/h. Poza
tą strefą zmiany pozycji są intensywne i odbywają się pod kontrolą czujnika
prądu zadanego. Ponieważ tak dokładność pomiaru przyspieszenia, jak też jego
pulsacja nie pozwalają bezpośrednio na wybór pozycji z prędkością równoważną -
sterowanie pozycjami odbywa się w zależności od różnicy pomiędzy prędkością
rzeczywistą i zadaną, modyfikowane w zależności od przyspieszenia. Odbywa się
to w ten sposób, że prędkość sterownika (rytm przełączania pozycji) zależy od
przyspieszenia, co ogólnie prowadzi do zmniejszenia liczby łączeń przy
minimalizacji przyspieszenia w strefie regulacji prędkości.
Taki sposób regulacji jest realizowany na pozycjach ekonomicznych. Na
pozycjach rezystorowych jest na zmianę realizowany intensywny rozruch w
rozszerzonej strefie delta v ,a następnie wybieg w tej strefie. Przy regulacji
na pozycjach ekonomicznych częstość przełączania pozycji zmienia się
wielostopniowo od
0 do około 1,3 Hz, w zależności od różnicy prędkości i przyspieszenia.
Uzyskana jakość regulacji prędkości
przy uwzględnieniu częstości pracy aparatury.
Przeprowadzone na lokomotywie PKP EU07 badania kompletnego układu prędkości
zadanej (UPZ) wykazały pełną przydatność takiego układu. Układ pracował nie
tylko poprawnie z pociągami pasażerskimi, lecz także z pociągami towarowymi.
Potwierdziła się przy tym konieczność stosowania hamowania elektrodynamicznego
zamiast hamowania pneumatycznego. Przeprowadzone próby porównawcze przy
jeździe automatycznej i ręcznej dowiodły, że dla utrzymania z tą samą
dokładnością prędkości zadanej liczba łączeń aparatury przy automatyce nie
przekraczała częstości przy pracy ręcznej. Także przy sterowaniu ręcznym
jakość utrzymania prędkości była gorsza, a zaabsorbowanie maszynisty regulacją
było bardzo duże i męczące. Podczas prób eksploatacyjnych nie można było
stwierdzić wyraźnie, jakie jest zużycie energii przy różnych sterowaniach.
Niemniej jednak przy pracy układu automatycznego udział pracy na pozycjach
rezystorowych był mniejszy.
W celu obserwacji zużycia energii byłyby konieczne bardzo obszerne próby z
dokładna rejestracją zużycia energii. Przy tym należy szczególnie uwzględnić
bardzo znaczny wpływ różnych zmiennych czynników.
Dzięki dużej pomocy PKP było możliwe wykonanie pełnych prób układu prędkości
zadanej na lokomotywie EU07-183. Na podstawie uzyskanych doświadczeń będzie
możliwe zastosowanie UPZ w lokomotywach na duże prędkości.
Bibliografia
[1] Sadowski M., Stypka M.: Stabilność układu automatycznego utrzymywania
prędkości w lokomotywach klasycznych. III Krajowa Konferencja - Pojazdy Szynowe
[2] Stypka M.: Analiza dokładności pomiaru prędkości i przyspieszenia
pojazdów trakcyjnych metodą cyfrową. Pojazdy Szynowe 1976 nr 3
Pozdrawiam
--
Wysłano z serwisu OnetNiusy: http://niusy.onet.pl
MS
Sympatyczny układ wykorzystujący to co już "jest" w lokomotywie bez
specjalnych ingerencji. Prosi się zadać pytanie - jakie były dalsze losy tego
układu, czy był szerzej stosowany?
zeus04
On 24 Sty, 21:45, "MS" <m.szymanskiWYTNI...@prs.pl> wrote:
> ciach
> Sympatyczny układ wykorzystujący to co już "jest" w lokomotywie bez
> specjalnych ingerencji. Prosi się zadać pytanie - jakie były dalsze losy tego
> układu, czy był szerzej stosowany?
Kilka lat był na EP09-002 , ale kilkanaście jest już zdemontowany.
Opis perypetii był na jednej ze stron www która chyba już nie
istnieje,
ale mam jej kopię
Pozdrawiam
Kamil Jamróz
Użytkownik "zeus04" <zeus...@op.pl> napisał w wiadomości
news:1169796940.1...@a75g2000cwd.googlegroups.com...
>Kilka lat był na EP09-002 , ale kilkanaście jest już zdemontowany.
>Opis perypetii był na jednej ze stron www która chyba już nie
>istnieje,
>ale mam jej kopię
>Pozdrawiam
Ale jak był sprawny to nawet działał. Straszliwie tylko miał dużą
"dokładność" (małą histerezę prędkości)
bo styczniki w szafie tylko strzelały non stop.
Pozdrawiam
--
Kamil
zeus04
On 27 Sty, 15:51, "Kamil Jamróz" <kamil_jamroz_u...@poczta.onet.pl>
wrote:
> Ale jak był sprawny to nawet działał. Straszliwie tylko miał dużą
> "dokładność" (małą histerezę prędkości)
> bo styczniki w szafie tylko strzelały non stop.
>
A jak na tym tle wygląda "dokładność" w ET22-2000?
Pozdrawiam