build-master: СПОСОБЫ РЕГУЛИРОВАНИЯ МОЩНОСТИ ЛОКОМОТИВА И СКОРОСТИ ДВИЖЕНИЯ ПОЕЗДА. АВТОМАТИЗАЦИЯ ПРОЦЕССОВ УПРАВЛЕНИЯ

Частоту вращения якорей тяговых двигателей можно регулировать, изменяя напряжение t/д и ток /д, подведенный к зажимам двигателей, или магнитный поток Ф, т.е. регулируя коэффициент возбуждения р. Напряжение 1/_д изменяют с помощью пускового реостата, включенного последовательно с двигателями, и тиристорных преобразователей, а также переключением тяговых двигателей на различные соединения.

Реостатный пуск. В момент трогания поезда с места, скорость движения состава, а следовательно, и ЭДС тягового двигателя Е также равны нулю. Если двигатель, например ТЛ-2К, при этом включить на номинальное напряжение 1500 В, то его пусковой ток, при сопротивлении обмоток 0,1295 Ом, будет равен 11 583 А, что недопустимо для двигателя и тяговой передачи. Чтобы ограничить пусковой ток, к двигателю необходимо либо прикладывать пониженное напряжение, либо включать в его цепь последовательно с обмотками резистор.

На ЭПС с контакторно-реостатным управлением напряжение на двигателе при пуске уменьшают, последовательно соединяя все тяговые двигатели силовой цепи, однако и при этом необходимо ограничивать ток пуска, вводя в цепь пусковой резистор. Когда якори тяговых двигателей начинают вращаться, возникает ЭДС, направленная навстречу приложенному напряжению. Поэтому при неизменном напряжении и сопротивлении силовой цепи ток двигателя уменьшается с увеличением скорости. Постепенно выводя пусковое сопротивление, можно либо поддерживать пусковой ток постоянным, либо изменять его по заданному закону.

Пусковой период оказывает большое влияние на процесс движения поезда. Для достижения высоких средних скоростей поезду во время пуска сообщают большое ускорение, обеспечивая возможно большие пусковые токи. Однако пусковой ток и пусковая сила тяги ограничены наибольшим допустимым током тяговых двигателей и условиями сцепления, а в некоторых случаях и мощностью системы электроснабжения. Поэтому пуск поезда целесообразно осуществлять при наибольшем допустимом по этим ограничениям токе двигателей, поддерживая его по возможности неизменным в течение пускового периода.

Подобный процесс разгона поезда продолжается до так называемой пусковой скорости, при которой двигатель переходит на работу по естественной характеристике. Для длительной езды под током применяют различные соединения тяговых двигателей и ступени ослабления возбуждения. Скоростные характеристики, соответствующие различным схемам соединения двигателей при выведенном пусковом реостате и коэффициентам возбуждения, называют экономическими (ходовыми); характеристики, соответствующие работе на различных ступенях реостатного пуска, — реостатными.

На электровозах, машинист в соответствии с весом поезда, профилем пути и условиями сцепления, чаще всего применяет неавтоматический ступенчатый реостатный пуск. Плавное изменение сопротивления пускового реостата, рассчитанного на большой ток, принципиально возможно при его импульсном регулировании тиристорным преобразователем.

В зависимости от числа двигателей на электровозах пусковые сопротивления, состоящие из определенного количества секций, компонуют в отдельные группы. Как правило, к каждой паре тяговых двигателей подключают свою группу пусковых сопротивлений, расположенную перед обмотками якоря. Если же на локомотиве в силовой схеме предусмотрен переход по схеме моста, то пусковые сопротивления включаются между тяговыми двигателями для создания мостовой схемы с уравнительным соединением.

Изменение коэффициента возбуждения. Данный способ регулирования частоты вращения якорей применяют для увеличения числа ходовых позиций, а при реостатном пуске (вначале) для снижения массы пусковых резисторов и плавности трогания. Конструктивно данный способ регулирования можно осуществить следующими методами:

• — отключением части витков катушек главных полюсов двигателей;
• — шунтированием обмоток возбуждения резистором;
• — импульсным регулированием возбуждения;
• — автоматическим регулированием тока возбуждения на ЭПС с двигателями независимого возбуждения.

Численно степень ослабления возбуждения (ослабление поля) характеризуют отношением МДС Е_ов при ослабленном возбуждении к МДС Е_ПВ при полном возбуждении для одного и того же тока якоря. Это отношение называют коэффициентом возбуждения р.

При выключении части витков обмотки возбуждения используют контакторы 1 и 2 (рис.

1.5, а). В данном случае коэффициент возбуждения будет равен

Если контактор 1 не отключать, то витки w2 при ослабленном возбуждении будут замкнуты накоротко контактором 2.Тогда при изменениях тока в витках w2, как во вторичной обмотке трансформатора, станет наводиться ЭДС и возникнет генераторный ток. Поэтому цепь витков обмотки w2 необходимо размыкать.

Недостатком данного способа является усложнение конструкции тягового двигателя — обмотка на каждом полюсе разделена на две катушки как при одной ступени ослабления возбуждения. Поэтому такой способ регулирования коэффициента возбуждения не получил распространения. Ранее его применяли на электросекциях Сд, С, электропоездах А, Б и Г метрополитена.

Шунтирование обмотки возбуждения резистором R_m (см. рис. 1.5, б, в, г) применяют на всех электровозах и электропоездах. В этом случае коэффициент возбуждения:

где R_0B — сопротивление обмотки возбуждения ОВ;

/?_ш — сопротивление шунтирующей цепи с учетом сопротивления индуктивного шунта ИШ.

В зависимости от серии локомотива может быть применена различная схема цепи ослабления возбуждения.

На грузовых электровозах ВЛ10, ВЛ11М (см. рис. 1.5, б) применяют индивидуальные электропневматические контакторы 1-4. Однако только на 1-й ступени ослабления поля установлен контактор 1 с дугогашением. Контакторы 2—4-й ступеней выполнены без ду- гогашения, но разделены между собой асбестоцементными перегородками. Это сделано в целях исключения возможного переброса дуги между контакторами. На электровозе предусмотрена схема буферной защиты — в случае срабатывания реле перегрузки отключается контактор 1 с дугогашением независимо от того, на какой ступени ослабления возбуждения работал тяговый двигатель. При этом двигатели переходят в режим возбуждения полного поля.

В схеме электровозов серии ЧС постоянного тока (см. рис. 1.5, в) пять ступеней ослабления возбуждения получают, используя четыре контактора с дугогашением 1-4. При этом контакторы включены в схему таким образом, чтобы избежать разрыва шунтирующей цепи.

На электровозах серии ВЛ80С применено три ступени ослабления возбуждения (см. рис.

1.5, г). Так как тяговые двигатели работают с пульсациями тока, то параллельно обмотке возбуждения постоянно включено шунтирующее сопротивление Я_шп.

Значения коэффициента р выбирают в зависимости от заданных пределов колебания тока (/_тах^—Лпт)’ характеризуемых коэффициентом неравномерности пуска по току К_п.

Рис. 1.5. Схемы регулирования частоты вращения якоря тягового двигателя изменением числа витков обмотки возбуждения (а) и шунтированием обмотки возбуждения резистором (б, в, г)

Предельное значение коэффициента возбуждения (З_тах определяется коммутационными свойствами тягового двигателя. Для машин любого напряжения с компенсационной обмоткой р_тах > 0,2, а при напряжении 1500 В р_тах > 0,3—0,33.

Перегруппировка тяговых двигателей. Применяются различные схемы соединения тяговых двигателей. Количество схем соединения обмоток двигателей, а следовательно и экономических характеристик, получается наибольшим при напряжении ?/_д на зажимах двигателя, равном напряжению U_c, и большом числе двигателей, включенных в силовую цепь. При напряжении в контактной сети 11= 3000 В двигатели выполняют с номинальным напряжением на зажимах 1500 и 750 В.

Тогда для локомотивов с четырьмя (рис. 1.6, а), шестью (рис. 1.6, б) и восемью двигателями (рис. 1.6, в) с номинальным напряжением 1500 В возможны следующие группировки двигателей и экономических характеристик (ЭР2): в первом случае — две а во втором и третьем случаях — три. При напряжении 750 В и четырех двигателях (см. рис. 1.6, г) получают одну их группировку — последовательное соединение (электропоезда ЭР2Т, ЭР2Р, ЭД4). На электровозах ВЛ11, ВЛ11М при работе в составе трех секций предусмотрена также возможность последовательного соединения 12 тяговых двигателей.

Возможно следующее взаимное расположение обмоток якорей и возбуждения тяговых двигателей: обмотки возбуждения включены за их якорями со стороны земли; обмотки якорей и возбуждения собраны в группы; обмотки возбуждения собраны в одну группу и включены между якорями (на вагонах Д метрополитена).

Рис. 1.6. Схема соединения при четырех (а); шести (б); восьми (в) тяговых двигателях, а также электропоезда серии ЭД (г)

Чередование обмоток якорей и возбуждения позволяет упростить схему, сократить количество аппаратуры и повысить надежность локомотива. Однако при этом существенно усложняется переход на электрическое торможение, при котором обычно применяют независимое возбуждение. Кроме того, в случае короткого замыкания (к.з.) какой-либо точки цепи на землю сопротивления двигателей, находящихся между местом короткого замыкания (далее к.з.) и источником энергии, могут значительно ограничить ток к.з., и обычная защита от перегрузки не обеспечит быстрого отключения их, особенно если не предусмотрена дифференциальная защита. Исключается также возможность понижения сопротивления изоляции обмоток возбуждения и реверсора по отношению к «земле». Однако благодаря простоте подобные схемы включения обмоток и якорей получили широкое распространение на ЭПС без электрического торможения.

В большинстве случаев при выборе взаимного расположения обмоток решающее значение имеет простота реверсирования, перехода с одного соединения двигателей на другое и переключения в режим электрического торможения.

Для переходов с одного соединения тяговых двигателей на другое на магистральных электровозах применяют:

• — метод короткого замыкания части тяговых двигателей;
• — метод шунтирования части тяговых двигателей резистором;
• — схему мостового перехода;
• — «вентильный» переход с запирающими диодами.

При переходе методом короткого замыкания в обмотках якорей закороченных двигателей за счет остаточного магнетизма появится генераторный ток, который имеет направление, обратное току тягового режима. В результате возникает тормозной момент. Поэтому способ перехода коротким замыканием части тяговых двигателей на современных магистральных электровозах из-за появления значительного генераторного тока не применяют.

На электровозах ВЛ10, ВЛЮу переход с последовательного на последовательно-параллельное соединение осуществляют замыканием части тяговых двигателей на группу пусковых резисторов. Такой переход осуществляют в пять этапов. При последовательном соединении все тяговые двигатели соединены в одну последовательную цепь (рис. 1.7, а).

На первой переходной позиции для ограничения броска тока в цепь тяговых двигателей вводятся пусковые резисторы первой секции электровоза и часть резисторов второй секции электровоза (см. рис. 1.7, б).

На 2-й переходной позиции осуществляется закорачивание тяговых двигателей V, VI и Vll, VIII второй секции электровоза и соединенных с ними последовательно секций пусковых резисторов контакторным элементом 33-0 группового переключателя (см. рис.

1.7, в). Тяговые двигатели первой секции электровоза остаются в работе и ток через их обмотки замыкается на «землю» через элемент 33-0, минуя обмотки тяговых двигателей второй секции электровоза. В цепи тяговых двигателей второй секции электровоза генераторный ток, а следовательно, и тормозной момент уменьшаются вводом секций пусковых резисторов.

На 3-й переходной позиции цепь тяговых двигателей V—VIII отсоединяется от цепи тяговых двигателей первой секции электровоза контакторным элементом группового переключателя 32-0 (см. рис. 1.7, г).

На 4-й переходной позиции в цепь тяговых двигателей V—VIII вводится часть секций пусковых резисторов для предотвращения резкого увеличения силы тяги на 1-й позиции последовательно-параллельного соединения, когда они вступят в работу (см. рис.

1.7, д).

К концу перехода, т.е. на 5-й переходной позиции, отключенные тяговые двигатели V— VIII подключаются контакторами 30-0 и 31-0 к контактной сети. Так как вместе с ними подключаются пусковые резисторы, то бросок тока будет ограничен. Тяговые двигатели образуют две самостоятельные цепи (см. рис. 1.7, ё).

Рис. 1.7. Схема переключения тяговых двигателей электровоза с последовательного на последовательно-параллельное соединение:

а — последовательное соединение; б, в, г, д, е — соответственно 1-, 2-, 3-, 4- и 5-я переходные позиции

Шунтирование части тяговых двигателей переходными резисторами применяют на электровозах ВЛ10, ВЛЮу (рис. 1.8), ЧС2 и ЧС2Т при переходе с последовательно-параллельного соединения на параллельное.

Рис. 1.8. Схема переключения тяговых двигателей электровоза с последовательно-параллельного на

параллельное соединение:

а — последовательно-параллельное соединение; б, в, г, д, е — соответственно 1-, 2-, 3-, 4- и 5-я переходные позиции

В силовой схеме на ходовой позиции последовательно-параллельного соединения все пусковые резисторы выведены из цепи тяговых двигателей (см. рис. 1.8, а).

При вращении вала группового переключателя, на 1-й переходной позиции в цепь тяговых двигателей вводится часть пусковых резисторов (см. рис. 1.8, б).

На 2-й переходной позиции выключением контакторных элементов ПКГ 22-1 и 22-2 групповых переключателей подготавливаются отдельные группы резисторов для параллельного соединения двигателей (см. рис. 1.8, в).

На 3-й переходной позиции тяговые двигатели I, II и V, VI после включения контакторных элементов 23-1 и 23-2 шунтируются переходными резисторами (см. рис.

1.8, г). При этом через зашунтированные тяговые двигатели может идти часть тока из контактной сети, если противо-ЭДС в зашунтированных тяговых двигателях невелика (при малой частоте вращения тяговых двигателей). Большая часть тока будет идти через переходные резисторы и через тяговые двигатели III, IV, VII, VIII. Зашунтированные тяговые двигатели в этом случае будут развивать некоторую силу тяги. При значительной скорости движения, когда частота вращения тяговых двигателей велика, в зашунтированных тяговых двигателях I—II и V—VI наводится значительная противо-ЭДС и в этом случае в их цепях появится генераторный ток, который будет создавать небольшой тормозной момент. Однако протекание этого тока быстро прекратится, так как их магнитная система быстро размагничивается.

На 4-й переходной позиции (см. рис 1.8, д) тяговые двигатели I, II и V, VI отключаются контакторными элементами 25-1 и 25-2.

На 5-й переходной позиции тяговые двигатели I, II и V, VI подключаются контакторами 26-1, 27-1 и 26-2, 27-2 к «земле», а группы пусковых резисторов контакторами 1-1, 2-1 и 1-2 к контактной сети. Все тяговые двигатели образуют четыре параллельные цепи, в каждой из которых включено по два двигателя (см. рис. 1.8, е).

Значительное уменьшение силы тяги при переходе методом короткого замыкания или шунтирования части двигателей резисторами может быть устранено при переходе по схеме моста, что широко применяют на электропоездах постоянного тока и электровозах или секциях электровозов с четырьмя двигателями. При переходе по схеме моста необходимо, чтобы двигатели каждой группы имели отдельные пусковые реостаты и свой комплект контакторов для ступенчатого изменения сопротивления (рис. 1.9).

На ходовой позиции последовательного соединения все секции пусковых реостатов выведены (см. рис. 1.9, а). При переходе с последовательного соединения на параллельное вначале включаются переходные контакторы П1 и П2, которые параллельно каждой группе двигателей I, II и III, IV подключают равные по сопротивлению секции пусковых реостатов. Группы двигателей и эти реостаты соединены при этом уравнительным мостовым контактором М (см. рис. 1.9, б). Ток от токоприемника протекает по двум параллельным цепям: через двигатели I—IV (ток /_д) и через пусковые реостаты (7_Г), а через мостовой контактор М проходит уравнительный ток /_у, равный их разнице. Направление тока /_у зависит от значения протекаемых по цепям токов.

Теоретически, подобрав величину пускового сопротивления по балансу токов моста в точке пересечения скоростных характеристик двигателей на ходовой позиции последовательного соединения (кривая С на рис. 1.9, г) и 1-й реостатной позиции параллельного соединения (кривая П), контактор М выключается без тока и переход на первую реостатную позицию параллельного соединения (см. рис. 1.9, в) происходит без изменения тока двигателей, а следовательно, и силы тяги.

На моторных вагонах электропоездов с автоматическим управлением обычно выбирают такую уставку реле ускорения, при которой для определенного напряжения сети сохраняется баланс токов. Однако даже в этом случае баланс токов может быть нарушен при повторных включениях двигателей после выбега, когда пусковой ток меньше расчетного или при изменении уставки по току. Практически всегда через мостовой контактор М протека-

Рис. 1.9. Принципиальные схемы (а, б, в), скоростные характеристики (г) и таблица замыкания контакторов (д) при переходе по схеме моста

ет уравнительный ток и контактор при переходе на П-соединение разрывает цепь тяговых двигателей под током.

Поэтому мостовые контакторы, а также контакторы П1 и П2, выполняют с дугогашени- ем. Контакторы реостатного контроллера 7-10, если не производится обратный переход под током (например, в групповых системах с автоматическим управлением), обычно выполняют без дугогашения.

Принцип перехода по схеме моста используется и на пассажирском электровозе серии ЧС7. Однако переход на СП-соединение электровоза ЧС7 имеет свои особенности.

При переходе на 20-ю позицию (ходовую) включаются линейный контактор ЛК-031 (далее ЛК). В этом случае шунтируются ЛК-030, пуско-тормозные резисторы (далее ПТР) и обеспечивается прямое подключение ТД к контактной сети (рис. 1.10, а). Одновременно схема подготавливается к мостовому переходу на СП-соединение. Такая позиция еще называется «экономичной—сериесной».

Переход на СП-соединение (Ml) осуществляется по мостовой схеме с использованием одной переходной (21-й) позиции ПБК (см. рис. 1.10, б). На этой позиции:

• — включением ЛК-0571,0581 — в цепь ТД первой секции вводится ПТР0901;
• — включением ЛК-0572,0582,0292 — в цепь ТД второй секции вводится ПТР 0902.

Образуются следующие силовые цепи.

В первой секции 1-4 ТД и далее цепь разветвляется:

• — контакты переключателя «Х-Т» 12-10 0711; ЛК-0581; ПТР-0901; ЛК-0571; «земля»;
• — контакты переключателя Х-Т 27-25 0721; межкузовное соединение; контакты переключателя «Х-Т» 12-10 0712; ЛК-0602. По этой цепи протекает уравнительный ток.

Во второй секции — ЛК-0572; ПТР-0902; ЛК-0582 и далее цепь разветвляется:

• — контакты переключателя «Х-Т» 27-25 0712; ЛК-0602 — уравнительная цепь;
• — 5—8 ТД; контакты переключателя «Х-Т» 27-25 0722 и далее цепь снова разветвляется:
• — ЛК-0292, «земля» — основная цепь;
• — межкузовное соединение; ЛК-0601, «земля» — уравнительная цепь.

Рис. 1.10. Переход по схеме моста электровоза серии ЧС7 на СП-соединение:

а — 20-я позиция С-соединения; б — 21-я переходная позиция; в — 22-я позиция СП-соединения

Таким образом, в силовой цепи ТД через контакторы 0602 и 0601 протекает ток, равный разности токов в цепи тяговых двигателей и пусковых сопротивлений. В определенных условиях (скорость, напряжение в сети) уравнительный ток, протекающий через контактор 0602 равен 0, и контактор при этом будет отключаться без тока. Особенностью перехода на СП является срабатывание дифференциальных реле ДР-0151 и ДР-0152 из-за одновременного включения контакторов 0601 и 0292. В целях исключения срабатывания БВ на переходной 21-й позиции в цепях управления блок-контакты ДР015 шунтируются контактами ПБК 65-66 или реле F.

На 22-й позиции отключаются контакторы 0601 и 0602, разрывая цепь «моста» и завершая переход на СП-соединение. При этом образуются две параллельные цепи по четыре тяговых двигателя с ПТР-090 (см. рис. 1.10, в) с питанием через БВ и ДР своей секции.

На 38-й позиции (ходовой) включается линейный контактор ЛК-059, шунтируя ПТР, ЛК-057,058, образует «экономичное» СП-соединение (рис. 1.11, а). При переходе на П- соединение (39-я переходная позиция) в каждой секции одновременно включаются

Рис. 1.11. Переход по схеме моста электровоза серии ЧС7 на П-соединение: а — 38-я позиция СП-соединения; б — 39-я переходная позиция; в — 40-я позиция П-соединения

ЛК-030,040, вводя в цепь тяговых двигателей ПТР-090,092 (см. рис. 1.11, б). Через контактор 031 протекает уравнительный ток. На 40-й позиции (см. рис. 1.11, в) контактор 031 размыкается и переход на П-соединение завершается, образуя четыре параллельные ветви по 2ТД в каждой.

На электровозах ВЛ11, ВЛ11М переключение тяговых двигателей с одного соединения на другое осуществляется с применением запирающих диодов — «вентильный» переход. В данном случае переход с использованием диодов (рис. 1.12) происходит без разрыва силовой цепи и образования генераторного тока.

Рис. 1.12. Схема «вентильного» перехода с СП- (а) на П-соединение (б) электровоза серии ВЛ11

с использованием групповых переключателей

В процессе перехода на П-соединение одновременно разворачиваются валы групповых переключателей ПкГ2 во всех секциях электровоза. При этом:

• — контакторные элементы 1 и 4 ПкГ2 выключаются, разрывая последовательную цепь 1-4 ТД каждого кузова, но через диоды Д1 —Д12 продолжает протекать ток в силовой цепи двигателей;
• — контакторные элементы 2 и 3 включаются, подавая питание 3-4 тяговым двигателям;
• — контакторные элементы 5 и 6 включаются, соединяя 1-2 тяговые двигатели с «землей».

В конце перехода в каждом кузове образуется параллельное соединение ТД с питанием

от линейных контакторов К1 и К10 через сопротивления R, R2 с уравнительным контактором К17 и элементами ПкГ2.

На современных электровозах с «вентильным» переходом вместо групповых переключателей используются индивидуальные электропневматические контакторы. К примеру, на электровозе серии ЧС2К переход с С- на СП-соединение происходит на 21-й позиции в следующей последовательности:

• 1. На ходовой позиции (рис. 1.13, а) все группы пусковых сопротивлений выведены из силовой цепи.
• 2. В начале процесса перехода отключаются реостатные контакторы и в силовую цепь ТД вводятся три параллельные группы пусковых резисторов (рис. 1.13, б).
• 3. После включения управляющего реле РП4 отключается контактор К24, но ток продолжает протекать по силовой цепи тяговых двигателей через блок переходных диодов 041 (рис. 1.13, в).

Рис. 1.13. Схема «вентильного» перехода с С- (а) на СП-соединение (г) электровоза серии ЧС2К с использованием индивидуальных контакторов: б, в — переходные позиции

4. Включаются электропневматические контакторы К22 и К31, образуя две параллельные цепи ТД СП-соединения (рис. 1.13, г): контактор К26 — тяговые двигатели 3, 1 и 2 — контактор К22 — «земля»; контактор К31 — тяговые двигатели 5, 6 и 4 — контактор К50 — «земля».