Обеспечение высоких динамических показателей подвижного состава связано с наличием перегрузочных режимов, режимов ослабления поля и динамического торможения, которые в ряде случаев ограничиваются условиями коммутации. При этом в
двигательном режиме полного и усиленного поля коммутационные ограничения практически отсутствуют, но при ослаблении поля, а также в режиме динамического торможения коммутационные ограничения становятся весьма существенными для некоторых типов двигателей.
При правильном выборе тягового двигателя и системы управления ток двигателя во всех эксплуатационных режимах не должен превосходить 1,75 Iном, а напряжение питающей сети у токоприемника подвижного состава не должно быть больше 650—700 в* для трамвайных вагонов и троллейбусов (максимальное пиковое значение). В связи с этим уставка максимальной защиты от перегрузок не должна превышать 2—2,25 Iном, а реле максимального напряжения в системах с рекуперацией должно быть отрегулировано на 700 в.
При всех режимах максимальное напряжение между коллекторными пластинами не должно превосходить 38 в. В некоторых системах динамического торможения с применением четырех двигателей на напряжение 550/2 (275) в и 750/2 (375) в возможно повысить напряжение на коллекторе до 550 и 750 в соответственно при условии заземления средней точки двух последовательно соединенных двигателей.
* Напряжение на подвижном составе метрополитена при номинальном напряжении 750 в должно соответствовать ГОСТ 6962—54; максимальное кратковременное напряжение не должно превышать 975 в.
С точки зрения коммутационных условий тяговые электродвигатели для городского транспорта могут быть подразделены на четыре категории:
- двигатели с напряжением на коллекторе 275 в, а также компенсированные двигатели с напряжением на коллекторе до 550 в с одновитковой обмоткой якоря;
- двигатели с напряжением на коллекторе 550 в с одновитковой обмоткой якоря;
- двигатели с напряжением на коллекторе 550 в с двухвитковой обмоткой якоря;
- двигатели для вагонов метрополитена с напряжением на коллекторе 375 в.
Двигатели с напряжением на коллекторе 275 в, а также двигатели с компенсационной обмоткой при напряжении до 550 в практически обеспечивают все необходимые эксплуатационные режимы без коммутационных ограничений. Среднее напряжение между пластинами коллектора в двигателях этого типа без учета реакции якоря составляет менее 6 в при напряжении 275 в на коллекторе и 13 в при напряжении 550 в. В режиме максимального ослабления поля величина максимального межламельного напряжения у компенсированных двигателей, а также у двигателей на напряжение 275 в без компенсационной обмотки не превосходит 33 в.
В сочетании с относительно небольшими значениями реактивной э. д. с. невысокие межламельные напряжения предопределяют устойчивую коммутацию этих двигателей при всех практических эксплуатационных режимах. Допустимое ослабление поля в двигателях этого типа даже при относительно небольшой величине воздушного зазора может быть доведено до 25—30%.
В частности, при ослаблении поля (Н. С.) до 25% у двигателя типа ДК-257 при пусковом токе, равном 1,3 номинального, намагничивающая сила главного поля составляет 1230а, а реакция якоря 4500 а. Воздушный зазор в этом случае составляет 3,5 мм. Определяем максимальное межламельное напряжение:
В двигателях с напряжением на коллекторе 550 в при однобитовой обмотке якоря среднее напряжение между коллекторными пластинами составляет менее 13 в, однако реакция якоря особенно при ослабленном поле существенно повышает величину этого напряжения. При некоторых условиях максимальное напряжение между соседними пластинами может достичь опасного значения (более 38 в). При выборе величины ослабления поля коммутационные ограничения должны быть тщательно учтены.
В двигателях этого типа уменьшение поля до 60% от его значения при усиленном поле в пусковом режиме может быть допущено лишь для электродвигателей с относительно большим воздушным зазором. При увеличенном воздушном зазоре уменьшение поля на 60% может быть достигнуто при величине намагничивающей силы 38—40% Н. С. в пусковом режиме. Это в сочетании с повышенным сопротивлением пути реакции якоря понижает величину межламельных напряжений до предельно допустимых значений.
Действительно, в двигателе ДК-207Д при пусковом токе 270 а и намагничивающей силе при ослабленном поле 2550 а величина магнитного поля составит 60% его значения при усиленном поле, а максимальное межламельное напряжение достигает 39 в.
Двигатели с напряжением на коллекторе 550 в (без компенсационной обмотки) с двухвитковой обмоткой якоря имеют весьма ограниченные пределы регулирования скорости ослаблением поля из-за высокого значения реактивной э.д. с. при повышенных значениях напряжения между коллекторными пластинами.
Так, трамвайный двигатель типа ДК-258 мощностью 50 кВт при пусковом режиме (при Iпуск=1,3 Iн) допускает ослабление поля лишь до 80% по значению Н. С. и. до 93% по значению поля.
Современные вагоны метрополитена выполняются с тяговыми двигателями, у которых номинальное напряжение на коллекторе равно половине напряжения сети (375 в). Эти двигатели, даже если они выполняются без компенсационной обмотки, практически не имеют ограничений в режиме ослабленного поля (при двигательном режиме).
Так, в двигателе типа ДК-108 для вагонов метрополитена типа Е максимальное напряжение между коллекторными пластинами при наибольшем ослаблении поля не превосходит 27 в. Коммутационные ограничения имеют место и в режиме динамического торможения (для вагонов метрополитена эти ограничения являются основными).
Как указывалось ранее, тяговые двигатели должны быть рассчитаны таким образом, чтобы была обеспечена удовлетворительная их коммутация также и в переходных режимах. Мерилом коммутационной устойчивости двигателя при нестационарных процессах является «ударное» напряжение кругового огня, которое в режиме наибольшего ослабления поля не должно быть ниже l,3Uном.
Коммутационная устойчивость двигателя зависит в значительной степени от состояния коллектора, качества щеток, положения щеткодержателей и дополнительных полюсов. Эти вопросы более подробно будут рассмотрены в главе V.
Таким образом, коммутационные ограничения, непосредственно связанные с пределами регулирования скорости ослаблением поля, должны тщательно учитываться при выборе тяговых двигателей для троллейбусов и вагонов метрополитена.
Для двигателей без компенсационной обмотки должна быть определена величина максимального межламельного напряжения, которая во всех режимах не должна превосходить 37—38 в. При толщине изоляции между пластинами 1 мм и применении щеток улучшенного качества можно увеличить предельное значение напряжения между пластинами до 40—42 в.
Увеличение воздушного зазора в целесообразных пределах позволяет несколько увеличить диапазон регулирования скорости. Весьма эффективным средством обеспечения устойчивой коммутации и увеличения диапазона регулирования является применение компенсационной обмотки.