2. СИСТЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ РЕЖИМОМ ТЯГИ ЭПС ПОСТОЯННОГО ТОКА С КОЛЛЕКТОРНЫМИ ТЯГОВЫМИ ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЯМИ
2.1. Принципы регулирования скорости и силы тяги коллекторных ТЭД постоянного тока
Как известно, сила тяги F, создаваемая коллекторным ТЭД, и его скорость V на ободе колеса определяются выражениями:
где Е — ЭДС вращения ТЭД; р — число пар полюсов электродвигателя; Ν,α — число активных проводников и пар параллельных ветвей обмотки якоря; Dк, μ — диаметр движущего колеса и передаточное число тяговой передачи; Uд, I, Ф — напряжение, ток и магнитный поток ТЭД; r, rд — сопротивление в цепи ТЭД и его обмоток; ηF — коэффициент полезного действия тяговой передачи, ηF = 0,975.
Рис. 2.1. Схема тягового электродвигателя
Принятые условные обозначения проиллюстрированы на рис. 2.1.
Графики зависимостей F(I) и V(I) для ТЭД последовательного возбуждения имеют вид, показанный на рис. 2.2, а тяговая характеристика Fк(V) — на рис. 1.3, а. Здесь F = N F, N — число тяговых электродвигателей; FKк— сила тяги электровоза.
Как было показано на рис. 1.3, а, для изменения скорости поезда необходимо с одной тяговой характеристики F' (V) перейти на другую F" (V).
Для изменения тяговой характеристики ЭПС с коллекторными ТЭД можно использовать три способа: соответственно изменение (7Д, г, Ф.
При регулировании напряжения на ТЭД Uд или сопротивления в его цепи г изменяется только скоростная характеристика ТЭД V(I), а характеристика силы тяги F(I) остается без изменения. При регулировании магнитного потока Ф изменяются обе характеристики V(I) и F(I).
Рис. 2.2. Электромеханические характеристики ТЭД последовательного возбуждения
Регулирование силы тяги и скорости ЭПС за счет изменения напряжения на тяговых электродвигателях
Рассмотрим режим работы тягового электродвигателя при номинальном напряжении Uдн и при произвольном напряжении Uд (рис. 2.3, а, б).
Предположим, что в обоих случаях тяговые двигатели потребляют одинаковые токи I и, следовательно, имеют одинаковые магнитные потоки Ф.
Напишем формулу скорости при номинальном напряжении на ТЭД Uдн:
и при произвольном напряжении Uд:
Рис. 2.3. Режимы работы ТЭД при номинальном (а) и произвольном напряжении (б)
Разделив почленно эти выражения, получим:
Падение напряжения на обмотках тягового электродвигателя незначительно (порядка 4%), поэтому при ориентировочных расчетах полагают, что скорость электровоза пропорциональна напряжению на тяговом электродвигателе:
Характеристики, соответствующие измененному напряжению, показаны на рис. 2.2 штриховыми линиями.
На рис. 2.4 показан процесс изменения скорости электровоза при скачкообразном уменьшении напряжения. Точка 1 — исходный режим, точка 2 — режим, возникающий сразу после изменения напряжения, точка 3 — установившийся режим.
Рис. 2.4. Изменение скорости электровоза при уменьшении напряжения
Возможны два способа регулирования напряжения на тяговых электродвигателях:
- ступенчатый, за счет изменения группировки ТЭД;
- плавный, с применением импульсного регулятора напряжения.
Группировки тяговых электродвигателей с различным количеством последовательно соединенных двигателей тд и числом параллельных ветвей ад показаны в табл. 2.1. Очевидно, что
Таблица 2.1
Группировки ТЭД
* Одна секция электровоза.
** Два постоянно сцепленных моторных вагона.
Группировки носят название последовательного (сериесного) соединения — С, последовательно-параллельного — СП и параллельного — П.
Достоинства регулирования напряжения путем перегруппировки: простота способа, возможность длительного движения с пониженной скоростью без дополнительных потерь энергии.
Недостатки: большие ступени регулирования напряжения и вследствие этого необходимость использования пусковых резисторов для перехода с одной группировки на другую.
Импульсный регулятор напряжения (ИРН) позволяет плавно регулировать напряжение на тяговых двигателях Uд за счет изменения соотношения между длительностью импульса Ти и периодом следования импульсов Т (рис. 2.5, а) в пределах от 0,05 до 1,0:
Схема включения импульсного регулятора приведена на рис. 2.5, б. Для уменьшения пульсаций тока параллельно тяговому двигателю включается обратный диод.
В конце XX в. было выпущено несколько электропоездов серии ЭР2И и ЭР12 с ИРН, которые длительное время успешно эксплуатировались. ИРН применен на опытных вагонах метрополитена серии 81-720/721 (рис. 2.6), изготовленных ЗАО «Метровагонмаш» в 1998 г. Вагоны оснащены комплектом тягового электрооборудования «Пульс», разработанным АЭК «Динамо» (г. Москва).
Рис. 2.5. Импульсное регулирование напряжения (начало): а — осциллограммы напряжения и тока; б — схемы включения
Рис. 2.6. Принципиальная схема опытного вагона метрополитена серии 81-720/721
Тяговый электропривод обеспечивает регулирование скорости тяговых двигателей, рекуперацию электроэнергии в контактную сеть и позволяет осуществлять разгон с четырьмя и торможение с тремя степенями интенсивности. Четыре тяговых двигателя мощностью 114 кВт, соединенные в две группы, получают питание от импульсного преобразователя. Преобразователь состоит из тиристорного регулятора напряжения (РТН), реализующего плавное широтно-импульсное регулирование напряжения на двигателях, и двух тиристорных регуляторов возбуждения (РТВ), обеспечивающих плавное ослабление поля до 28 %. Конструктивно преобразователь выполнен в виде единого блока и имеет принудительное охлаждение.
РТН выполнен в виде двухфазного импульсного прерывателя постоянного напряжения с общим для обеих фаз параллельным мостовым контуром коммутации. Каждая фаза РТН работает с постоянной частотой 200 Гц со сдвигом друг относительно друга на 180 эл. град. РТВ состоит из главного тиристора, включенного параллельно обмоткам возбуждения двух последовательно соединенных двигателей, и коммутирующего тиристора. Частота РТВ постоянна и равна 200 Гц.
Реакторно-конденсаторное оборудование включает входной LC- фильтр, два сглаживающих реактора, включенных в фазы РТН, два защитных дросселя, три коммутирующие индуктивности, две коммутирующие емкости РТВ и коммутирующую емкость РТН.
Управление тяговым приводом осуществляет микропроцессорная система.
Преимущества импульсного регулирования: отсутствие потерь энергии в пусковых резисторах, но нужно учитывать потери в тиристорах, коммутирующих устройствах и фильтрах; плавное регулирование напряжения; возможность рекуперации до полной остановки.
Недостатки импульсного регулирования: сложность электрооборудования и необходимость высококвалифицированного обслуживающего персонала; необходимость установки фильтров для ограничения помех в линиях связи и пульсаций тока в тяговых электродвигателях.