Силовые цепи электровозов постоянного и переменного тока (рис.6.1) включают в себя, в общем случае, следующие элементы [3]: токоприемники Т; аппараты защиты (быстродействующий БВ и главный ГВ выключатели); пуско-регулирующую аппаратуру (сопротивления R, контакторы K1-K3, тяговый трансформатор ТТ); тяговые электрические двигатели 1-2 с обмотками возбуждения ОВ.
Рис. 6.1. Схемы силовых цепей электровозов
а) электровоз постоянного тока б) электровоз переменного тока
Напряжение,приложенное к силовой цепи от контактной сети, неизменно и составляет 3 кВ для электровозов постоянного тока и 25 кВ для электровозов переменного тока. Непосредственно на двигатели поступает напряжение UД, величину которого можно изменять с помощью пуско-регулирующей аппаратуры.
Будемсчитать, что тяговый двигатель ТЭД прификсированном состоянии контакторов К1-К3 работает при постоянном напряжении UД, то есть по естественным характеристикам. Тогда, как следует из уравнений (4.6) и (4.7), величина тока ТЭД IД будет плавно изменяться в зависимости от частоты вращения его якоря nД:
|
|
IД = (UД - EД) / RД = (UД - Се ФД nД) / RД, А.
(6.1)
При этом с увеличением nД сила тока IД уменьшается и наоборот.
Частота вращения якоря ТЭД nД прямо пропорциональна скорости движения локомотива. Поэтому ток IД, момент на валу ТЭД МЭ=СМ ФД IД и пропорциональная ему сила тяги FКД, создаваемая двигателем, будут уменьшаться с ростом скорости локомотива V.
Зависимости IД=f(V) и FКД=f(V) называют токовой и тяговой характеристиками ТЭД. Форма этих характеристик для двигателей с последовательным возбуждением, работающих при постоянном напряжении UД, показана на рис.6.2.
Рис.6.2. Естественные характеристики ТЭД с последовательным возбуждением
а) токовая б) тяговая
Из рис.6.2,б видно, что характер зависимости FКД=f(V) отвечает основным требованиям локомотивной тяги:
> сила тяги FКД, создаваемая двигателем, увеличивается при снижении скорости движения локомотива V и плавно уменьшается по мере ее роста; это обеспечивает преодоление поездом тяжелых подъемов, а также дает возможность разгонять поезд на ровных участках пути и
преодолевать затем подъемы за счет увеличенной кинетической
энергии;
> наибольшие значения силы тяги FКД двигатель создает при скорости
локомотива, близкой к нулю, что соответствует условиям трогания и
разгона поезда.
Поэтому именно двигатели постоянного тока с последовательным возбуждением нашли широкое применение в качестве тяговых электродвигателей локомотивов.
Несмотря на то, что момент МЭ, и сила тяги FКДдвигателя автоматически изменяются в зависимости от скорости V (по естественной характеристике ТЭД), машинисту необходимо регулировать величину силы тяги ТЭД FКД для управления локомотивом и движением поезда. Формула (6.1) показывает, что уровень тока ТЭД IД, а следовательно момента МЭ и силы тяги FКД при прочих равных условиях определяется величиной напряжения UД, подведенного к ТЭД. Поэтому управление силой тяги ТЭД осуществляют регулированием напряжения UД.
|
|
Для изменения напряжения ТЭД на электровозах постоянного тока используют перегруппировку или переключение соединения ТЭД [3] (на рис.6.1,а условно показаны два ТЭД, которые с помощью контакторов К1-К3 могут быть соединены последовательно или параллельно). Перегруппировка позволяет получить на каждом двигателе три значения напряжения UД при отключенных реостатах R (таблица 6.1). Данные значения напряжения UД соответствуют работе электровоза на ходовых позициях контроллера машиниста - специального устройства для управлением локомотивом. Эти позиции обозначают буквами "С", "СП" и "П".
Таблица 6.1.
Зависимость напряжения на тяговых двигателях электровоза
от схемы их соединения
Напряжение, В при соединении: | Электровоз | |
6-осный | 8-осный | |
1) последовательном (сериесном) «С» | 500 | 375 |
2) последовательно-параллельном (сериес-параллельном) «СП» | 1000 | 750 |
3) параллельном «П» | 1500 | 1500 |
Графики зависимостей силы тока IД и силы тяги FКД ТЭД от скорости V при изменении схемы соединения ТЭД приведены на рис.6.3
Рис.6.3. Зависимость характеристик двигателей от схемы соединения
а) токовые б) тяговые
Из формулы (4.1) следует, что при резком увеличении напряжения UД в силовой цени ТЭД возникают броски тока IД. Для ограничения силы тока в подобных режимах, которые имеют место при пуске или перегруппировке ТЭД, на электровозах используют пуско-регули-ровочные реостаты R (рис.6.1,а). Прохождение тока по сопротивлениям R сопровождается их нагревом и потерями электроэнергии. Поэтому долговременная работа электровоза с включенными сопротивлениями, на так называемых реостатных позициях контроллера машиниста, не допускается. Безреостатные позиции "С", "СП" и "П" используют как ходовые, время работы на которых не ограничивается.
Трех ходовых позиций для обеспечения экономной работы локомотива явно недостаточно. Поэтому для расширения регулировочных возможностей электровоза и увеличения числа его ходовых позиций используют ослабление возбуждения ТЭД.
Ослаблением возбуждения называют уменьшение магнитного потока двигателя Фд за счет снижения тока возбуждения IВ по отношению к току якоря IД. Степень изменения магнитного потока ТЭД оценивают коэффициентом ослабления возбуждения
α = IВ / IД
(6.2)
Ослабление возбуждения осуществляют включением в силовую цепь электровоза сопротивления Rш (рис.6.4). Индекс "ш" указывает на то, что сопротивление подключается параллельно обмотке возбуждения ОВ, то есть шунтирует ее.
При шунтировании обмотки возбуждения ТЭД ток в якоре IД возрастет (согласно формуле (6.1) IД =(UД-СеФДnД)/Rд) вследствие уменьшения магнитного потока Фд и суммарного сопротивления RД. Причем ток IД увеличится до такого значения, при котором магнитный поток ФД восстановится практически до прежнего уровня. Поэтому фактически увеличение силы тока IД и силы тяги FКД ТЭД осуществляется не снижением магнитного потока, а уменьшением суммарного сопротивления якорной цепи RД [3].
Рис.6.4. Схема ослабления возбуждения тягового электродвигателя
На отечественных электровозах постоянного тока применяют от двух до четырех ступеней ослабленного возбуждения. Ослабление возбуждения машинист может использовать при последовательном, последовательно-параллельном и параллельном соединениях ТЭД. Таким образом, если применяются две ступени ослабления возбуждения ОП1 - ОП2, то тяговый двигатель имеет 9 ходовых позиций регулирования силы тяги FКД, (рис.6,5).
|
|
Рис.6.5. Характеристики тягового двигателя электровоза постоянного тока находовых позициях контроллера машиниста
а) токовые б) тяговые
На электровозах переменного тока регулирование силы тяги FКД ТЭД осуществляют как и на электровозах постоянного тока - изменением напряжения па двигателе UД. За счет наличия тягового трансформатора ТТ и контакторов, которые на рис.6.1,6 условно обозначены K1 - K3, здесь имеется возможность получить большое число ступеней
регулирования напряжения UД. Поэтому необходимость использования пусковых сопротивлений и перегруппировки ТЭД отпадает.
Отечественные электровозы переменного тока имеют по 33 позиции регулирования напряжения, девять из которых считаются ходовыми (на этих позициях электровоз работает с более высоким к.п.д.). Поскольку пусковые сопротивления в цепи двигателей отсутствуют, в принципе длительная работа ТЭД допускается на всех позициях [6].
Кроме позиций регулирования напряжения на электровозах переменного тока предусмотрены также позиции ослабленного возбуждения (обычно три ступени шунтирования обмотки возбуждения на 33-й позиции контроллера машиниста).
Таким образом, особенности работы ТЭД на электровозах заключаются в следующем:
1. на ходовых позициях контроллера машиниста ТЭД работает при постоянном (или близком к нему) напряжении по естественной характеристике (рис.6.2); при этом с увеличением скорости локомотива V мощность двигателя РД=UДIД снижается вследствие уменьшения тока якоря;
2. регулирование силы тяги FКД ТЭД осуществляется машинистом за счет изменения напряжения ид и степени ослабления магнитного потока Фд;
3. при повышении напряжения на двигателе либо ослаблении его возбуждения мощность ТЭД РД=UДIД увеличивается.
|
|
На тепловозах, оборудованных собственным источником энергии для движения (дизелем), тяговые электродвигатели работают в другом режиме по иным характеристикам.