Системы управления возбуждением тяговых электродвигателей
Способы регулирования возбуждения.
Тяговые электродвигатели постоянного и пульсирующего тока имеют, как правило, последовательное возбуждение. Управление возбуждением таких двигателей возможно двумя способами: шунтированием обмотки возбуждения резистором rш (рис. 2.21, а) или импульсным регулятором.
Рис. 2.21. Варианты схем ослабления возбуждения: а — шунтирование обмотки возбуждения, б — секционирование обмотки возбуждения
Контактор 1 предусмотрен для того, чтобы при ослабленном возбуждении не образовался короткозамкнутый контур, который будет замедлять изменение магнитного потока и способствовать увеличению бросков тока.
Недостаток такого способа — необходимость одинакового изменения числа витков на каждом из полюсов тягового двигателя. При этом усложняются межкатушечные соединения внутри остова тягового двигателя и практически невозможно реализовать несколько ступеней ослабления возбуждения. Такой способ регулирования возбуждения в настоящее время не применяется.
Современные тяговые электродвигатели с номинальным напряжением 750 В допускают глубокое ослабление возбуждения до 0,2.
Обычно в качестве номинальных принимают данные и характеристики при полном возбуждении. Но для некоторых видов ЭПС, основное время работы которых протекает при ослабленном возбуждении, в качестве номинального принимается режим ослабленного возбуждения. При этом часть пуска происходит при повышенных тепловых нагрузках обмотки возбуждения. Такой режим принято называть усиленным возбуждением. Следует иметь в виду, что форма кривой намагничивания тягового электродвигателя не зависит от тепловой нагрузки обмотки возбуждения и определяется режимом полного возбуждения β = 1.
Характеристики ТЭД при ослабленном возбуждении.
При реостатном пуске и изменении напряжения Uд изменяется только скоростная характеристика двигателя V(I), а характеристика силы тяги F(I) остается без изменения. В отличие от этих способов ослабление возбуждения влияет на обе характеристики:
Причем величина магнитного потока Ф определяется не током якоря I, а током возбуждения
Рис. 2.22. Электромеханические характеристики при ослабленном возбуждении
Ослабление возбуждения ТЭД в этих условиях приведет к снижению скорости электровоза и увеличению потерь в резисторе г.
На рис. 2.22 приведены характеристики силы тяги, а также скоростная и тяговая характеристики при полном и ослабленном возбуждении (ПВ и ОВ).
Выводы:
- При ослабленном возбуждении тягового электродвигателя ординаты характеристики F(7) всегда уменьшаются, а ординаты характеристики V(I) всегда увеличиваются.
- При малом сопротивлении в цепи электродвигателя ординаты тяговой характеристики
с ослабленным возбуждением
увеличиваются. При большом сопротивлении в цепи электродвигателя ослабление возбуждения приводит к уменьшению ординат тяговой характеристики.
Во всех случаях имеет место точка пересечения тяговых характеристик при полном и ослабленном поле. Но при малом сопротивлении в цепи тягового двигателя эта точка соответствует току, значительно превышающему максимально допустимый.
- При использовании ослабления возбуждения для повышения скорости поезда целесообразно сперва постепенно снизить до нуля величину сопротивления дополнительного резистора r в цепи якоря и только после этого применять ослабление возбуждения.
4. Ослабление возбуждения можно использовать для ограничения силы тяги на маневровых позициях. При этом на первой маневровой позиции сразу включают последнюю ступень ослабления возбуждения, а на последующих позициях постепенно усиливают возбуждение. Сопротивление пусковых резисторов начинают уменьшать только после перехода на полное возбуждение. Такое решение использовано на электровозах ВЛ10, ВЛ11 и ВЛ15.
Определение ступеней ослабления возбуждения.
Предельное значение коэффициента ослабления возбуждения βмин определяется двумя ограничениями.
- По реактивной ЭДС в коммутируемой секции, которая ограничивает максимальный ток якоря.
- По максимальному межламельному напряжению в зоне наибольшего искажения магнитного поля ТЭД под влиянием реакции якоря.
Величина βмин определяется при проектировании и испытании тяговых электродвигателей. У современных ТЭД при Сдн = 750 В, вмин = 0,2, а при Г = 1500 В, βΜΗΗ = 0,36.
Ступени ослабления возбуждения выбирают из условия, чтобы обеспечить переход с одной ступени на другую при одинаковых колебаниях тока.
Рис. 2.23. К расчету ступеней ослабления возбуждения: а — переход при неизменной скорости; б — учет увеличения скорости при переходе
Обозначение величин в формуле соответствуют рис. 2.21, а.
Для определения магнитного потока Ф по току возбуждения Iв и решения обратной задачи используем зависимости
Рис. 2.24. Диаграмма для выбора ступеней ослабления возбуждения при разной неравномерности пуска
Переходные процессы при регулировании возбуждения тягового двигателя. Электромагнитные процессы в тяговом электродвигателе при шунтировании обмотки возбуждения активным резистором rш и индуктивностью Lm (рис. 2.25, а, б, в), можно описывать следующей системой уравнений:
Рис. 2.25. К расчету переходных процессов при ослабленном возбуждении: а — расчетная схема; б —изменение магнитного потока; в — постоянные времени вихревых токов
Рис. 2.26. Переходные процессы при ослабленном возбуждении
Назначение индуктивного шунта.
Как было показано ранее, основная функция индуктивного шунта (ИШ) состоит в ограничении бросков тока при восстановлении напряжения после его кратковременного снятия. Кажется, что эту задачу можно выполнить и без индуктивного шунта, если в цепь катушки контактора Ш включить блокировку реле напряжения PH (рис. 2.27). При этом снятие напряжения сети будет приводить к автоматическому переходу на полное возбуждение. Однако опыты показали, что подобная схема не может защитить тяговые двигатели от круговых огней. Это указывает, что индуктивный шунт кроме основной выполняет еще следующие дополнительные функции.
Рис. 2.27. Схема отключения шунтирующей цепи при снятии напряжения сети
1. Ограничение бросков тока при колебаниях напряжения контактной сети. При этом ток не падает до нуля, однако индуктивности цепей ТЭД уменьшаются вследствие насыщения магнитной системы и поэтому броски тока не уменьшаются. Вместе с тем в этом режиме схема защиты с PH (см. рис. 2.27) не работает, и индуктивный шунт остается единственным способом ограничения бросков тока.
- Ограничение бросков тока при восстановлении сцепления после разносного боксования. Восстановление сцепления с подачей песка после разносного боксования приводит к резкому возрастанию тока в якоре (рис. 2.28). При отсутствии ИШ ток нарастает в основном в шунтирующей цепи, вследствие чего происходит глубокое ослабление поля и может возникнуть круговой огонь.
- Ускорение размагничивания ТЭД при коротком замыкании на его зажимах. Если Lш=0, то нарастание тока короткого замыкания под действием ЭДС вращения происходит через шунтирующий резистор в обход обмотки возбуждения, имеющей значительную индуктивность (рис. 2.29, а). При этом магнитный поток ТЭД и ЭДС вращения первое время сохраняют свои величины за счет действия вихревых токов. Вследствие этого генераторный ток достигает недопустимо большой величины, вызывающей круговой огонь на коллекторе:
Рис. 2.28. Изменение тока ТЭД при боксовании и подаче песка
Рис. 2.29. Контур тока при коротком замыкании на входе ТЭД: а — при отсутствии ИШ; б — при наличии ИШ
Таким образом, индуктивный шунт кроме своей основной функции выполняет еще ряд дополнительных. Необоснованный отказ от применения индуктивного шунта может привести к возникновению кругового огня на коллекторе ТЭД в ряде особых случаев.
Импульсное регулирование возбуждения применено на электровозах ЧС 2Т, ЧС 200, ЧС 6 и ЧС 7 в режиме реостатного торможения с независимым возбуждением. Источниками питания обмотки возбуждения служат аккумуляторная батарея или падение напряжения на тормозном резисторе, включенные через разделительные диоды Д1—Д3 (рис. 2.30).
При отпирании коммутирующего тиристора Т1 коммутирующий конденсатор С заряжается от напряжения Uo через обмотку возбуждения ОВ (рис. 2.30, а). После окончания заряда конденсатора ток снижается до нуля и тиристор Т1 запирается.
При отпирании главного тиристора Т2 обмотка возбуждения получает питание через диод Д8.
Одновременно начинается колебательный разряд конденсатора С по контуру L1, Д4, Т2 и полярность конденсатора С изменяется (рис. 2.30, б). Это необходимо для того, чтобы при открытии коммутирующего тиристора Т1 образовывался контур С—Т2—Т1 и происходило запирание главного тиристора Т2 (рис. 2.30, в). После этого ток возбуждения продолжает протекать за счет ЭДС самоиндукции обмотки возбуждения, замыкаясь через диод Д5 (рис. 2.30, г). Напряжение на обмотке возбуждения UOB имеет вид прямоугольных импульсов с амплитудой U0 и длительностью Ти (рис. 2.30, д). Ток возбуждения определяется средним значением напряжения на обмотке возбуждения
где Т — период импульсов управления тиристорами.
Ток возбуждения регулируется изменением промежутка времени Ти между управляющими импульсами, подаваемыми на главный и коммутирующий тиристоры.
На вагонах метрополитена серии 81-717-714 применено импульсное регулирование последовательного возбуждения. Упрощенная схема приведена на рис. 2.31.
Рис. 2.30. Независимое возбуждение ТЭМ от импульсного регулятора напряжения: а — заряд коммутирующего конденсатора; б — питание обмотки возбуждения и перезаряд конденсатора; в — запирание главного тиристора; г — затухание тока в обмотках возбуждения; д — осциллограмма напряжения и тока
Рис. 2.31. Импульсное регулирование возбуждения на вагонах метрополитена серии 81-717-714:
а — заряд коммутирующего конденсатора; б — ослабление возбуждения и перезаряд конденсатора; в — запирание главного тиристора; г — осциллограммы тока возбуждения и напряжений на элементах схемы
где Т — период следования импульсов управления тиристорами; Ти — длительность импульса, т.е. сдвиг по времени между импульсами управления Т5 и Т1.
Импульсное регулирование возбуждения позволяет увеличивать силу тяги и скорость ЭПС без бросков тока при плавном его изменении. Импульсное регулирование возбуждения применено также на электропоезде ЭР200.