ВСПОМОГАТЕЛЬНЫЕ ЦЕПИ ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ПОДВИЖНОГО СОСТАВА (ЭПС)
Назначение вспомогательных цепей
Вспомогательные цепи ЭПС — это электрические машины и аппараты, обеспечивающие охлаждение электрооборудования тягового привода, снабжение сжатым воздухом системы пневматического торможения поезда, электропитание цепей управления, создание необходимых комфортных условий в кабине машиниста и пассажирских помещениях.
Вспомогательное электрооборудование подразделяется на преобразователи электроэнергии, электрические машины и системы управления.
Увеличение мощности ЭПС, применение тягового электропривода с преобразователями, повышение требований к комфорту в кабине машиниста и пассажирских помещениях требует соответствующего увеличения мощности вспомогательного оборудования. На современном ЭПС расход энергии на работу вспомогательного оборудования достигает 10 % от энергии, затраченной на тягу поездов. Значительная часть этой энергии расходуется на вентиляцию тягового электрооборудования (трансформаторов, преобразователей, пускотормозных резисторов и тяговых электродвигателей). Расход энергии на охлаждение тягового электрооборудования может быть снижен за счет автоматического регулирования производительности моторвентиляторов в соответствии с нагрузкой тяговых электродвигателей и температурой охлаждающего воздуха.
На электровозах постоянного тока наиболее мощные вспомогательные машины (моторкомпрессоры и моторвентиляторы) получают питание от напряжения контактной сети непосредственно или через делитель напряжения. На ЭПС переменного тока эти машины получают питание от вспомогательной обмотки тягового трансформатора через выпрямитель или расщепитель фаз.
На современных электропоездах постоянного тока для сокращения числа коллекторных машин используются вспомогательные трехфазные асинхронные короткозамкнутые двигатели, получающие питание от электромашинного агрегата, преобразующего постоянный ток напряжением 3 кВ в трехфазный переменный напряжением 220 В и частотой 50 Гц.
Питание цепей управления ЭПС, а также подзаряд аккумуляторных батарей осуществляются от генераторов управления или от статических преобразователей.
Генераторы управления приводятся во вращение моторвентиляторами или электромашинными делителями напряжения.
Статические преобразователи получают питание от вторичной обмотки тягового трансформатора.
Для компенсации влияния колебаний напряжения контактной сети предусматривается автоматическое регулирование напряжения сети управления.
Вспомогательные цепи с коллекторными электродвигателями
Коллекторные вспомогательные машины применяются в основном на ЭПС постоянного тока. Машины мощностью от 20 до 50 кВт рассчитываются на питание непосредственно от контактной сети через постоянно включенный демпферный резистор, который ограничивает броски тока при пуске и при колебаниях напряжения в контактной сети.
У моторкомпрессоров мощностью свыше 30 кВт часть демпферного резистора может шунтироваться контактором, который замыкается при пониженном давлении в главных резервуарах.
У машин мощностью свыше 50 кВт предусматривается автоматическое закорачивание пускового резистора после окончания пуска.
Рис. 7.1. Схема вспомогательных машин электровоза ВЛ15
У коллекторных машин мощностью менее 20 кВт трудно обеспечить приемлемые технико-экономические показатели при питании от напряжения 3 кВ. Поэтому такие машины проектируют на номинальное напряжение 1,5кВ и предусматривают их питание от делителя напряжения.
В качестве делителя напряжения используются двухколлекторная электрическая машина, называемая «динамотор», или статический преобразователь. Динамоторы применяются на электропоездах ЭР2.
В качестве примера на рис. 7.1 приведена схема силовой цепи вспомогательных машин электровоза ВЛ15. В электрических схемах электровозов последних выпусков ВЛ15, ВЛ85, ВЛ65, ЭП1 используются буквенные обозначения по ГОСТ 2.710—81, приведенные в приложении.
Моторкомпрессор М9 работает в повторно-кратковременном режиме с частыми включениями. Поэтому в его цепь включены демпферные резисторы R63 и R68, которые ограничивают броски тока при наиболее трудных условиях пуска (повышенное напряжение контактной сети и отсутствие сжатого воздуха в главных резервуарах). При пуске моторкомпрессора при нормальных условиях R68 шунтируется контактором КМ69 и в цепи остается резистор R63.
Рис. 7.2. Магнитная цепь контактора пусковой панели
Моторвентиляторы М7 и М8 включаются параллельно контакторами КМ61 и КМ62, обеспечивая подачу максимального количества охлаждающего воздуха. Для снижения расхода энергии на вентиляцию при малых нагрузках тяговых двигателей моторвентиляторы могут быть соединены последовательно при помощи переключателя Q14. При этом включается только контактор КМ61. Для ограничения бросков пускового тока в цепь моторвентиляторов включены пусковые резисторы R59 и R61, которые после снижения пускового тока закорачиваются электромагнитными контакторами специального исполнения КМ67 и КМ68 (рис. 7.2). Аппарат, состоящий из такого контактора и пускового резистора, называется пусковой панелью. Магнитная цепь контактора имеет два воздушных зазора А и В. Зазор В может регулироваться при помощи регулировочного болта 5. На магнитной цепи имеются две катушки — удерживающая 4 и включающая 3 — и короткозамкнутое медное кольцо 2. Удерживающая катушка остается возбужденной в течение всего периода работы контактора, а включающая — только в период пуска; после замыкания контактора она закорачивается вместе с пусковым резистором. Катушки намотаны таким образом, что их намагничивающие силы складываются. Внутри удерживающей катушки помещен якорь 1 плунжерного типа, который может свободно перемещаться по вертикали в стальной гильзе 6. Во избежание прилипания якоря к стенкам внутрь гильзы запрессована тонкостенная латунная втулка. При включении неподвижной машины ток быстро нарастает до величины Imax (рис. 7.3). Скорость нарастания тока при этом определяется в основном индуктивностью обмоток машины. Якорь контактора находится по действием двух сил (рис. 7.4): силы Fa, созданной потоком ФА, стремящейся поднять якорь, и силы FB, созданной потоком Фв, стремящейся опустить якорь. При этом суммарная сила F = Fa — FB направлена вниз, и якорь останется в нижнем положении.
По мере увеличения скорости вращения ток, потребляемый машиной, уменьшается. При этом значительно уменьшается магнитный поток Φβ, величина которого изменяется почти пропорционально величине тока. В то же время магнитный поток в тонкостенной гильзе изменится мало, так как гильза насыщена.
Рис. 7.3. Изменение тока и скорости при пуске вспомогательной машины
Рис. 7.4. Изменение магнитных потоков и суммарной силы при регулировке контактора пусковой панели:
----- регулировочный болт завернут; _______ регулировочный болт вывернут
Следовательно магнитный поток в верхнем зазоре тоже изменится мало. При уменьшении тока, потребляемого машиной, до определенной величины Iтр (ток трогания) магнитный поток ФВ, а вместе с ним и сила FB уменьшаются настолько (см. рис. 7.4), что суммарная сила F = Fa — FB изменяет свое направление и становится достаточной для преодоления веса подвижных частей Q. Контактор включается, замыкая накоротко включающую катушку и пусковой резистор.
После выключения пускового резистора ток снова резко увеличивается (см. рис. 7.3), а затем по мере дальнейшего увеличения скорости постепенно уменьшится до установившегося значения. При включении контактора воздушный зазор А уменьшается, а воздушный зазор В увеличивается. Это вызывает некоторое увеличение потока ФА и значительное уменьшение потока ФВ. Поэтому, несмотря на увеличение тока в момент времени t3, контактор остается во включенном положении.
Величину тока трогания можно изменять при помощи регулировочного болта. На рис. 7.4 штриховыми линиями показано, что при завертывании болта магнитный поток Фв увеличивается и для включения контактора потребуется снижение тока до величины I'тр меньшей, чем Iтр. При вывертывании болта ток трогания, наоборот, увеличивается.
Для того чтобы предотвратить включение контактора в начале пуска в момент времени t4, на сердечник включающей катушки одето медное кольцо 2. При быстром увеличении тока в короткозамкнутом кольце индуктируется ток, задерживающий нарастание потока ФА. Включению контактора в момент времени t4 также препятствует инерция подвижных частей.
Коллекторные машины, питающиеся от однофазных выпрямителей, используются на электровозах переменного тока ЧС4Т и ЧС8. Достоинство такой системы — хорошие пусковые свойства двигателей последовательного возбуждения. Недостаток — более высокая стоимость коллекторных машин по сравнению с асинхронными, необходимость периодического технического обслуживания коллектора и щеточного аппарата.
Скорость вращения вентиляторов на электровозах ЧС4Т регулируется за счет использования управляемых выпрямителей (рис. 7.5, а). Работа полууправляемого моста была рассмотрена ранее.
На электровозах ЧС8 применено частотно-импульсное регулирование напряжения на вспомогательных машинах (рис. 7.5, б).
Рис. 7.5. Способы регулировки напряжения на моторвентиляторах: а — управляемым выпрямителем; б — импульсным регулятором
При закрытом тиристоре VS коммутирующий конденсатор Ск заряжается от выпрямителя через обмотки машины М до напряжения Ud. После окончания заряда конденсатора мгновенное напряжение на машине UM снижается до нуля. Полярность заряженного конденсатора на рис. 7.5, б указана без скобок.
При открытии тиристора VS двигатель М подключается к напряжению Ud. Одновременно начинается колебательный разряд конденсатора Ск через коммутирующий реактор Lк. Полярность конденсатора изменяется (на рис. 7.5, б указано в скобках). В результате этого направление тока в тиристоре изменяется и он закрывается. Напряжение на двигателе снова становится равным нулю, но ток двигателя продолжает протекать через обратный диод VD0 за счет ЭДС самоиндукции сглаживающего реактора Lcr.
Продолжительность открытого состояния тиристора равна половине периода колебаний
.
Управляющие импульсы подаются на тиристор периодически с интервалами Т. Среднее напряжение на вспомогательной машине приближенно равно
Это напряжение регулируется за счет изменения частоты управляющих импульсов на тиристоре VS, которая равна
.
Регулирование используется как при пуске вспомогательных машин, так и для уменьшения производительности вентиляторов при малых нагрузках тяговых двигателей.
Вспомогательные цепи с асинхронными двигателями на ЭПС переменного тока
Асинхронные двигатели с короткозамкнутым ротором являются предпочтительным вариантом для привода вспомогательного оборудования ЭПС ввиду их дешевизны, надежности и простоты технического обслуживания. На ЭПС переменного тока используются трехфазные асинхронные двигатели с питанием от расщепителя фаз или однофазные с конденсаторным пуском. На ЭПС постоянного тока трехфазные асинхронные двигатели получают питание от электромашинного преобразователя (электропоезда ЭР2Т, ЭТ2М, ЭД2) или от полупроводникового инвертора.
Недостатками асинхронных машин являются проблемы регулирования скорости их вращения и получения на ЭПС переменного тока симметричного трехфазного напряжения, а также снижение вращающего момента пропорционально квадрату питающего напряжения, что может привести к остановке вспомогательных машин при пониженном напряжении контактной сети.
На большинстве электровозов переменного тока вспомогательные асинхронные двигатели получают трехфазное питание от расщепителя фаз, представляющего собой короткозамкнутую асинхронную машину, выполняющую одновременно функции однофазного двигателя и трехфазного генератора.
Фазорасщепитель ФР (рис. 7.6) получает питание от вспомогательной обмотки тягового трансформатора, к которой подключаются фазы А1 и А2 через контакторы К1. Для пуска фазорасщепителя его третья фаза А3 включается контактором К2 параллельно фазе А1 через резистор R, который создает необходимый сдвиг фаз. После того как скорость вращения ротора и напряжение фазы А3 возрастут, контактор К2 отключается и на обмотках расщепителя фаз Al, А2 и А3 создается трехфазное напряжение.
Вспомогательные машины подключаются к трехфазной системе электромагнитными контакторами К3, К4. Между фазами А1 и А3 каждой вспомогательной машины подключены конденсаторы Cl, С2, которые улучшают симметрию трехфазной системы и облегчают пуск электродвигателей.
При напряжении в контактной сети менее 19 кВ, что возможно при выходе из строя одной из тяговых подстанций, машинист, соблюдая правила электробезопасности, вручную переключает разъединитель Q. Это позволяет получить нормальное напряжение на вспомогательных машинах при пониженном напряжении контактной сети.
Такая система питания вспомогательных машин предусмотрена на электровозах ВЛ80к, ВЛ80т, ВЛ80с и ВЛ80р.
На электровозах ВЛ85 для пуска расщепителя фаз вместо резистора используются конденсаторы.
Рис. 7.6. Схема с расщепителем фаз
На электровозах ВЛ65 и ЭП1 расщепитель фаз отсутствует. Вспомогательные машины — конденсаторные. При повышении напряжения между фазами А2 и А3 свыше 300 В часть конденсаторов отключается.
На электровозах ЭП1 для снижения расхода энергии на работу вспомогательных машин при малых нагрузках тяговых электродвигателей предусмотрена возможность питания двигателей вентиляторов и масляного насоса пониженным напряжением U' при частоте 162/3 Гц. Для этой цели служит непосредственный преобразователь частоты встречно-параллельными тиристорами V1—V4 (рис. 7.7, а). Осциллограммы линейных напряжений на выходе преобразователя U'12 и U'13 показаны на рис. 7.7, б. Углы проводимости тиристоров показаны на рис. 7.7, б.
Рис. 7.7. Схема с непосредственным преобразователем частоты
Вспомогательные цепи с асинхронными двигателями на ЭПС постоянного тока
Такие системы применяются на электропоездах с рекуперативно-реостатным торможением ЭР2Р, ЭР2Т, ЭТ2М (рис. 7.8). Асинхронные двигатели моторкомпрессора МК и моторвентиляторов МВ1-2 получают трехфазное питание от преобразователя, состоящего из двигателя П смешанного возбуждения, подключенного к контактной сети, и трехфазного синхронного генератора СГ.
Пуск двигателя П производится включением контактора КП через резисторы R5 и R4.
После окончания пуска замыкается контактор ПКП, шунтирующий резистор R5. При коротком замыкании в контактной сети двигатель смешанного возбуждения переходит в генераторный режим. Диоды Д1—Д3 ограничивают величину генераторного тока, вводя в цепь резистор R5. При перерывах питания двигателя отключаются реле РОТ и контактор ПКП. Обмотка реле РОТ шунтирована диодом Д50, чтобы не допустить включение реле под действием генераторного тока.
После восстановления напряжения в контактной сети контактор ПКП включается с выдержкой времени, и поэтому ток преобразователя ограничивается резисторами R5 и R4.
Преобразователь П защищен плавким предохранителем Пр2 и реле перегрузки РПП.
Обмотки независимого возбуждения двигателя Π (Н1-Н2) и генератора СГ (И1-И2) получают питание от синхронного генератора через диоды Д8 — Д12 (рис. 7.9, а), включенные по схеме неполнофазного выпрямительного моста. Участки синусоид, соответствующие открытому состоянию этих диодов, на рис. 7.9, б выделены штриховкой. Алгоритм работы такого моста показан в табл. 7.1 и на рис. 7.9, б.
Рис. 7.8. Схема питания асинхронных вспомогательных машин на электропоездах постоянного тока
Рис. 7.9. Схема неполнофазного выпрямления для питания обмоток возбуждения преобразователя
Таблица 7.1
Алгоритм работы неполнофазного выпрямительного моста
Выпрямленное напряжение ud имеет вид импульсов длительностью t3-t0, между которыми имеются паузы t3-t0. Наличие пауз позволяет регулировать напряжение u1 и u2 на обмотках возбуждения генератора И1—И2 и двигателя Н1—Н2 за счет того, что начало импульсов и1 задерживается тиристором Тт1 на угол α1, а начало импульсов u2 задерживается тиристором Тт2 на угол α2. Тиристор Тт2 управляется от блока регулирования частоты БРЧ, который поддерживает постоянство частоты вращения двигателя П и частоты напряжения генератора СГ (см. рис. 7.8). Тиристор Тт1 получает управляющий импульс от блока управления преобразователем БУП, который поддерживает постоянство действующих значений линейных напряжений синхронного генератора
Паузы t3—t0 на выходе неполнофазного моста необходимы для естественного запирания тиристоров Тт1 и Тт2. Шунтирующие диоды Д7 и Д5 обеспечивают непрерывность тока в обмотках возбуждения Н1—Н2 и И1—И2 во время пауз.
Осциллограмма напряжения Ux показана на рис. 7.9, в.
Осцилограмма напряжения U2 имеет аналогичный вид и отличается только величиной угла а. Углы проводимости диодов Д5- Д12 и тиристора Тт1 показаны на рис. 7.9, г.
При колебаниях напряжения контактной сети возможно возникновение перенапряжений на обмотке независимого возбуждения Н1—Н2 за счет ее индуктивной связи с обмоткой последовательного возбуждения двигателя П. Для ограничения этих перенапряжений обмотка Н1—Н2 шунтируется резистором R21 при помощи тиристора Тт3, который управляется от цепочки последовательно соединенных стабилитронов ПП2—ПП4 (см. рис. 7.8). Для гашения колебаний, которые могут возникнуть в системе автоматического регулирования частоты вращения преобразователя П при изменение тока в обмотке независимого возбуждения Н1—Н2, в схеме предусмотрена обратная связь при помощи стабилизирующего трансформатора ТрС.
Моторкомпрессор МК при пуске кратковременно потребляет значительный ток, который приводит к существенному снижению напряжения в цепях управления и освещения. Для компенсации этого провала предусмотрен компаундирующий трансформатор ТрК, который в момент пуска подает дополнительное напряжение на обмотку возбуждения И1—И2 синхронного генератора через выпрямительный мост Д61—Д64.
Цепи управления получают напряжение 110 В через трансформатор управления ТрУ и диодный мост Д32—Д37. Для заряда аккумуляторной батареи требуется напряжение UАБ более 110 В, которое реализуется с помощью вольтодобавочной обмотки, расположенной на одном из стержней трансформатора ТрУ, и диода Д38. Напряжение вольтодобавочной обмотки можно изменять в зависимости от температуры окружающего воздуха путем перестановки предохранителя Пр19 в гнезда, соединенные с различными выводами от вольтодобавочной обмотки.
В режиме электрического торможения обмотки возбуждения тяговых двигателей Ml—М4 получают питание через контакторы К3 и ОВ и контакторы реверсора В1—В2 (или Н1—Н2) от тиристорного возбудителя ТВ через трансформатор возбуждения ТрВ. Автоматическое регулирование режима торможения производится блоком управления торможением БУТ. Этот процесс был рассмотрен ранее в п. 4.8. При изменении направления движения поезда в цепи обмоток возбуждения ТЭД размыкаются контакторы реверсора В1—В2 и замыкаются контакторы Н1—Н2.