Регулирование скорости движения и тяговые характеристики электроподвижного состава постоянного тока
Как известно, тяговые электродвигатели электровозов и электропоездов постоянного тока получают питание от контактной сети постоянного тока, в которой поддерживается номинальное напряжение Uкс = 3000 В.
Основные серии эксплуатируемых электровозов постоянного тока: восьмиосные — ВЛ8, ВЛ10, ВЛ10У, ВЛ11, ВЛ11м, ВЛ15,ЧС7, ЧС200; шестиосные — ВЛ23, ВЛ22М, ЧС2Т, ЧС2. Тяговые электродвигатели электровозов постоянного тока изготавливают на рабочее напряжение UR = 1500 В, поэтому их соединяют в последовательные цепи с числом не менее двух. Четырехосные электропоезда ЭД4, ЭД4М, ЭД2Т, ЭР2Р, ЭР22 имеют ТЭД постоянного тока с максимальным напряжением Uд = 750 В. Для работы от контактной сети ТЭД электропоездов могут иметь только последовательное соединение.
Анализ формулы (2.34) позволяет сделать вывод, что регулировать скорость движения электроподвижного состава постоянного тока можно, изменяя три параметра: суммарное сопротивление в цепи якоря тяговых электродвигателей Σrя, напряжение Uд, подводимое к двигателям от контактной сети, и магнитный поток Ф тяговых электродвигателей, например, шунтируя обмотку возбуждения группой резисторов.
Рассмотрим более подробно эти способы регулирования работы электроподвижного состава постоянного тока.
Включение в цепь якоря тяговых электродвигателей дополнительных пусковых резисторов.
Данный способ регулирования скорости получил распространение на электровозах постоянного тока с контакторно-реостатным управлением. Пусковые резисторы применяют при трогании с места и разгоне электровоза с поездом до расчетной скорости движения.
Рис. 39. Схема включения двух тяговых электродвигателей электроподвижного состава постоянного тока в период разгона
В момент трогания с места электровоза постоянного тока (при V=0) электродвижущая сила (э.д.с.) тяговых электродвигателей равна нулю, т.е. Е=сеnд Ф = 0. Если в этот момент двигатель электровоза, например, ТЛ-2К (применяют на электровозах ВЛ10, ВЛ10У, ВЛ11 и др.) включить на номинальное напряжение UД= 1500 В при сопротивлении обмоток якоря ∑rя = 0,1295 Ом, то сила тока двигателя ТЛ-2К по закону Ома будет равна Iд = UД/∑rя =11580А. Предельное (по условиям нагревания двигателя) значение тока для двигателя ТЛ-2К составляет Iд тах = 800 А. Для обеспечения надежной работы силового оборудования э.п.с. постоянного тока при трогании с места сила тока должна быть значительно уменьшена. Это возможно двумя способами: уменьшить напряжение Uд или увеличить величину Σrя.
Для уменьшения величины Uд процессы трогания и разгона э.п.с. постоянного тока производят при последовательном соединении тяговых электродвигателей.
Для обеспечения заданного ресурса работы двигателей при трогании с места э.п.с. постоянного тока этого оказывается недостаточным, поэтому в цепь якоря каждого тягового двигателя включают группу пусковых резисторов с суммарным сопротивлением Rn (рис. 39).
Сила тока одного тягового электродвигателя при трогании с места и разгоне э.п.с. постоянного тока, А:
где Rn — сопротивление пусковых резисторов, приходящееся на один двигатель, Ом.
Частота вращения якоря тягового электродвигателя nд в период разгона э.п.с. постоянного тока, мин-1:
Постепенный (ступенчатый) вывод пусковых резисторов из цепи якоря двигателя позволяют в период трогания с места и разгоне э.п.с. постоянного тока поддерживать примерно постоянными пусковую силу тока Iд двигателей и касательную силу тяги локомотива.
Таким образом, данный способ регулирования скорости движения э.п.с. постоянного тока позволяет лишь ограничивать ток двигателя в пределах наибольших допустимых для данного двигателя значениях.
Необходимо отметить, что работа электровозов постоянного тока с включенными пусковыми резисторами в период разгона отличается низкой экономичностью. Значительная часть электрической энергии, поступаемой из контактной сети на электровоз, безвозвратно теряется в пусковых резисторах и преобразуется в тепловую энергию, сильно нагревая блок резисторов. В этой связи на электровозах устанавливают дополнительные вентиляторы для охлаждения пусковых резисторов, на привод которых также затрачивается электрическая энергия.
Мощность электрической энергии, теряемая в пусковых резисторах электровоза постоянного тока, кВт:
Процесс разгона электровозов постоянного тока с применением пусковых резисторов продолжается до достижения пусковой скорости Vn, обычно примерно равной расчетной скорости Vp (см. рис. 43), дальнейшая работа локомотивов происходит при выключенном пусковом реостате.
Регулирование напряжения Uд тяговых электродвигателей с помощью изменения схемы их соединения является достаточно распространенным способом управления работой электроподвижного состава постоянного тока.
На восьмиосных электровозах постоянного тока ВЛ10, ВЛ10У, ВЛ11м, ВЛ15, ВЛ8, ЧС7 для регулирования величины Uд (скорости движения) применяют три схемы соединения тяговых электродвигателей: последовательное «С» (рис. 40, а), последовательно-параллельное «СП» (рис. 40, б) по четыре двигателя последовательно в две параллельные ветви и параллельное «П» (рис. 40, в) по два двигателя последовательно в четыре параллельные ветви.
Как отмечалось ранее, разгон электровозов постоянного тока осуществляется при последовательном соединении тяговых электродвигателей, в этом случае (см. рис. 40, а) напряжение на двигателе равно Uд = UKC/8 = 3000/8 = 375 В. При сериесно-параллельном соединении Uд = 750 В, при параллельном Uд = 1500 В.
Рис. 40. Схемы соединения тяговых электродвигателей восьмиосного электровоза постоянного тока: а — последовательное (С); б — последовательнопараллельное (СП); в — параллельное (П)
На шестиосных электровозах ВЛ22М, ВЛ23, ЧС2Т и ЧС2 для регулирования скорости движения применяют такие же три схемы соединения тяговых электродвигателей, как на тепловозах с электропередачей (см. рис. 16). Необходимо отметить, что серьезным недостатком данного способа регулирования скорости движения локомотивов является сложная система переключения схем соединения ТЭД, причем контакторы переключения работают при больших токах силовой цепи, что снижает их эксплуатационную надежность. Поэтому на электровозах используются не более двух-трех вариантов схем соединения ТЭД. На ряде серий э.п.с. постоянного тока, например на электропоездах ЭР2Т, ЭР2Р, данный способ регулирования UR не используется.
Рис. 41. Схема регулирования магнитного потока ТЭД электровоза постоянного тока шунтированием обмотки возбуждения
Регулирование магнитного потока Ф тяговых электродвигателей.
Этот способ управления получил самое широкое распространение на электроподвижном составе с тяговыми электродвигателями постоянного тока.
Параллельно последовательно включенной обмотке возбуждения тягового электродвигателя ТЭД (рис. 41) включают несколько шунтирующих контуров, каждый из которых состоит из резистора R и индуктивного шунта ИШ. Индуктивный шунт ИШ предназначен для стабилизации работы системы возбуждения двигателя в моменты временного нарушения контакта между токоприемником движущегося электровоза и контактной сетью и переключения шунтирующих контуров.
В отличие от тепловозов с электропередачей на электровозах и электропоездах применяют многоступенчатые системы ослабления магнитного потока возбуждения. Например, на электровозах ВЛ10, ВЛ10у, ВЛ11, ВЛ11м, ВЛ15, ВЛ8, ВЛ23 применены четыре ступени ослабления возбуждения, для которых степени ослабления магнитного потока, соответственно, равны: a1= 0,74; a2 = 0,55; α3 = 0,43; α4 = 0,36. Электропоезда ЭД4М, ЭД4, ЭР2Р, ЭР2Т имеют шестиступенчатую систему ослабления магнитного потока Ф, позволяющую снизить степень ослабления до величины а6 = 0,2.
Степень ослабления магнитного потока одной ступени регулирования э.п.с. постоянного тока
где iв — ток возбуждения, А; Iд — ток якоря двигателя, А.
Применение многоступенчатой системы ослабления магнитного потока возбуждения на э.п.с. позволяет более плавно регулировать изменение параметров движения по сравнению с тепловозами с электрической передачей.