На железных дорогах России широко используется электрическая тяга переменного однофазного тока напряжением в контактной сети UKC = 25 кВ и промышленной частотой 50 Гц. На электроподвижной состав переменно-постоянного тока, работающий на переменном однофазном токе, устанавливают специальное оборудование для преобразования и регулирования напряжения и тока. В результате электроподвижной состав переменно-постоянного тока имеет более сложную конструкцию по сравнению с э.п.с. постоянного тока. Наибольшее распространение получили локомотивы со статическими преобразователями и тяговыми электродвигателями постоянного (пульсирующего) тока.
Основными элементами силовой цепи электровозов переменно-постоянного тока являются (рис. 46): тяговый трансформатор ТТ, выпрямитель В и тяговые электродвигатели ТЭД. Тяговый трансформатор ТТ предназначен для снижения напряжения переменного однофазного тока с величины UKC=25 кВ до рабочего Uтэд , обеспечивающего надежную работу тяговых электродвигателей при их параллельном соединении. В выпрямителе В, основу которого составляют полупроводниковые вентили, переменный однофазный ток рабочего напряжения Uтэд преобразуется в постоянный пульсирующий ток.
Для сглаживания пульсации выпрямленного тока последовательно с обмоткой якоря тягового электродвигателя ТЭД (см. рис. 46) включают мощный индуктивный реактор ИР. Совокупность тягового трансформатора ТТ, выпрямителя В и индуктивного реактора ИР называют статическим преобразователем электроподвижного состава переменно-постоянного тока.
Рис. 46. Принципиальная электрическая схема электроподвижного состава переменно-постоянного тока: ТТ — тяговый трансформатор; В — выпрямительная установка; ИР — индуктивный реактор; ТЭД — тяговый электродвигатель
Параллельно с обмоткой возбуждения тягового электродвигателя ТЭД дополнительно включают резистор Rш, предназначенный для уменьшения пульсации магнитного потока ТЭД, неизбежной при прохождении пульсирующего тока через последовательно включенную к обмотке якоря ТЭД обмотку возбуждения. Резистор Rш шунтирует обмотку возбуждения в постоянном режиме. Тем самым обеспечивается работа тяговых электродвигателей электроподвижного состава переменно-постоянного тока при так называемом нормальном (не при полном возбуждении ПП) возбуждении НВ со степенью ослабления магнитного потока а = 0,92-0,97.
В настоящее время основу парка грузовых электровозов переменно-постоянного тока составляют следующие серии локомотивов: восьмиосные ВЛ80р, ВЛ80С, ВЛ80Т, ВЛ80К с тяговыми электродвигателями НБ-418К мощностью длительного режима Рм = 790 кВт (каждый) и двенадцатиосные ВЛ85 с электродвигателями НБ-514 (Р^ = 835 кВт). На малодеятельных электрифицированных участках переменного тока эксплуатируют шестиосные грузовые электровозы ВЛ60К и ВЛ65. Пригородное сообщение обеспечивают электропоезда ЭР9П и ЭР9Е, пассажирское — ВЛ60П, ЧС4 и ЧС4Т.
Регулирование скорости движения электроподвижного состава переменно-постоянного тока осуществляют двумя способами: изменением коэффициента трансформации тягового трансформатора и, соответственно, величины рабочего напряжения тяговых электродвигателей и регулированием магнитного потока тяговых электродвигателей. Изменение схемы соединения тяговых электродвигателей на электроподвижном составе переменно-постоянного тока не применяют.
Основным способом регулирования скорости движения электровозов и электропоездов переменно-постоянного тока является изменение напряжения U выпрямленного тока, подводимого к тяговым электродвигателям.
В общем случае коэффициент трансформации тягового трансформатора равен
κτ=υксιυ2ττ,
где UKC — напряжение переменного тока в контактной сети, В; U2тт — напряжение переменного тока на вторичной обмотке тягового трансформатора, В.
Если пренебречь потерями напряжения в статическом преобразователе электровоза, величина U2тт будет равна рабочему напряжению тока, подводимому к тяговым электродвигателям. Изменяя ступенями число витков обмоток тягового трансформатора, регулируют коэффициент трансформации и, соответственно, величину напряжения на тяговых двигателях электровоза переменно-постоянного тока.
На отечественных электровозах и электропоездах переменно-постоянного тока применяют систему низковольтного регулирования, т.е. изменяют число витков на вторичной обмотке тягового трансформатора. На пассажирских электровозах ЧС4 и ЧС4Т применена система высоковольтного регулирования на первичной обмотке трансформатора.
Необходимо отметить, что напряжение в статическом преобразователе не остается постоянным, а зависит от тока нагрузки I .
Среднее значение выпрямленного напряжения Uд на тяговых электродвигателях, В:
где UBo — выпрямленное напряжение при холостом ходе (Iтад = 0) выпрямителя, В; ΔUΚ — реактивное падение напряжения из-за коммутации тока, В; ΔUR -падение напряжения от активного сопротивления трансформатора и сглаживающего реактора, пропорциональное величине Iтэд, В; ΔUвент — падение напряжения в вентилях, В.
Зависимость выпрямленного напряжения от тока электродвигателя называют внешней характеристикой преобразовательной установки. Внешнюю характеристику преобразовательной установки Uтэд=а (Iтэд) используют при построении расчетных тяговых характеристик э.п.с. переменно-постоянного тока.
На ряде серий электровозов и электропоездов (ВЛ80, ВЛ60К, ВЛ80Т, ВЛ80С, ЭР9) изменение ступеней регулирования напряжения на двигателях Uтэд выполняется машинистом при помощи рукоятки контроллера. На большинстве серий грузовых электровозов предусмотрено 33 позиции рукоятки контроллера машиниста, каждой позиции соответствуют коэффициент трансформации трансформатора и величина.
На электровозах ВЛ80Р и ВЛ85 применены преобразователи с плавно регулируемым выходным выпрямленным напряжением.
Основу этих преобразователей составляют мощные силовые тиристоры, позволяющие обеспечить четырехзонное регулирование напряжения, когда группа секций тягового трансформатора замещается одной секцией, напряжение которой равно суммарному напряжению нескольких секций. Этим обеспечивается плавное регулирование величины выпрямленного напряжения, подводимого к двигателям электровоза.
Регулирование магнитного потока Ф тяговых двигателей э.п.с. переменно-постоянного тока осуществляется на высшей позиции рукоятки контроллера машиниста (ПК33). Многоступенчатая система ослабления магнитного возбуждения на электровозах переменно-постоянного тока выполнена по аналогии с электроподвижным составом постоянного тока (см. рис. 41), число ступеней ослабления магнитного потока Ф 3-5.
Необходимо отметить, что на электровозах ВЛ85 и ВЛ65 вместо неуправляемых полупроводниковых вентилей используются тиристоры, которые позволяют плавно регулировать напряжение, подводимое к тяговым электродвигателям, и, соответственно, значение касательной силы тяги по сравнению с э.п.с. со статическими преобразователями.
Расчетные тяговые характеристики электровозов переменно-постоянного тока строят по электромеханическим характеристикам тяговых электродвигателей аналогично построениям для э.п.с. постоянного тока. Различие состоит в том, что скоростные характеристики колесно-моторного блока V=f (Iтэд) перестраивают с учетом внешней характеристики преобразователя для каждой ступени регулирования.
На рис. 47 представлены расчетные характеристики электровоза переменно-постоянного тока. Тяговые характеристики электровоза со статическим преобразователем представляют семейство кривых FK=f(V), пропорциональное числу ступеней регулирования величины Uтэд, т.е. позиций рукоятки контроллера машиниста (ПК1... ПК33). На высшей (ПКЗЗ) позиции рукоятки контроллера машиниста каждой ступени ослабления магнитного потока НП-ОП1-ОП2-ОП3 также соответствует своя характеристика FK=f(V).
Поле возможных тяговых характеристик электровоза переменнопостоянного тока ограничивается следующими предельными кривыми (см. рис. 47, а: а-b — ограничение по условиям сцепления колес с рельсами; b-c-d — ограничение по допустимому току (току коммутации) тяговых электродвигателей; d-e — ограничение по максимальной скорости движения.
Рис. 47. Расчетные характеристики электровоза переменно-постоянного тока: а - тяговая характеристика; б - кривая изменения касательной мощности
Силовое оборудование электроподвижного состава переменно-постоянного тока рассчитывают из условий надежной работы на следующих основных режимах: расчетный (Vp), часовой (Vч) и длительный (V). Эти режимы соответствуют тяговой характеристике FK=f(V) локомотива на высшей (ПК33) позиции рукоятки контроллера машиниста и ступени нормального магнитного потока НП (см. рис. 47, а).
Так, по расчетному режиму работы электровоза переменно-постоянного тока (точка «в» на кривой FK=f(V) — см. рис. 47, а) устанавливают весовые нормы поездов для конкретных участков обращения локомотивов и проводят тяговые расчеты по определению скорости движения и времени хода поезда по перегону.
Касательная мощность Νκ электровоза переменно-постоянного тока изменяется (см. рис. 47, б) пропорционально росту напряжения на тяговых электродвигателях и, соответственно, увеличению коэффициента трансформации тягового трансформатора. При наборе позиций контроллера машиниста с ПК1 до ПК32 касательная мощность Νκ электровоза возрастает ступенчато, однако на рис. 47, б это изменение касательной мощности Νκ в функции скорости показано в виде линейной зависимости NK=f(V), построенной для удобства по средним значениям касательной мощности. Максимальная мощность Nкmах электровозом переменно-постоянного тока может быть реализована лишь при расчетной скорости Vp, т.е. при наборе наибольшей позиции рукоятки контроллера машиниста ПК33. В диапазоне Vp-VK касательная мощность Νκ электровоза несколько уменьшается, что объясняется потерями мощности при переходах НП-ОП1-ОП2-ОП3 и жесткостью характеристик тяговых электродвигателей с последовательным возбуждением. Часовой (V4) и длительный (V) режимы работы электровоза переменно-постоянного тока соответствуют рабочему диапазону. При сравнении тяговых качеств электровозов переменно-постоянного тока с тепловозной тягой целесообразно использовать скорость и силу тяги FK длительного режима электровоза и расчетные параметры тепловоза.
Опытные тяговые характеристики электроподвижного состава переменно-постоянного тока получают в результате тягово-энергетических и эксплуатационных испытаний.
В качестве примера на рис. 48. представлены тяговые характеристики FK =f( V) грузового электровоза ВЛ85 на 1,2,3 и 4-й зонах регулирования (при полностью открытых тиристорах) и трех ступенях ослабления магнитного потока НП-ОП1-ОП2-ОП3. На электровозе применено параллельное соединение тяговых электродвигателей. В случае боксования колесной пары уменьшается сила тока Iд связанного с ней тягового электродвигателя и ток нагрузки преобразователя.
Рис. 48. Тяговые характеристики электровоза ВЛ85
В соответствии с внешней характеристикой преобразователя в этом случае увеличивается напряжение на «боксующем» колесно-моторном блоке, что в итоге препятствует развитию процесса боксования локомотива.
В этой связи у электровоза ВЛ85 использование силы сцепления при трогании с места и разгоне существенно выше, чем на э.п.с. постоянного тока при последовательном соединении тяговых электродвигателей.
На электровозе ВЛ85 применена система управления по двум параметрам: току и скорости. Одной рукояткой управления машинист может задать значения пускового тока от 300 до 1100 А (на рис. 48 значения пускового тока отмечены штриховыми линиями), другой — скорость, при достижении которой ускорение поезда прекращается.
На графиках FK=f(V) электровоза ВЛ85 отмечены следующие ограничения силы тяги: кривая а-b — по сцеплению колес с рельсами; b-c-d — по току коммутации тяговых электродвигателей; d-e — по максимальной скорости движения. На кривой FK =f( V), соответствующей четвертой зоне регулирования и нормальному магнитному потоку НП, отмечены точки расчетного (Vр), часового (Vч) и длительного режимов работы электровоза. Как отмечалось ранее, длительный режим работы электровоза ВЛ85 (V=50 км/ч; FK=675 кН) соответствует расчетному режиму магистрального тепловоза.