Токовые характеристики ЭПС
Для определения расхода электроэнергии, затраченной ЭПС при движении под током, необходимо иметь зависимости, характеризующих взаимосвязь между общим током электровоза и скоростью. Подобные зависимости называют токовыми характеристиками I Э (V).
На рисунке показана токовая характеристика грузового восьмиосного электровоза постоянного тока, имеющего три перегруппировки ТЭД
(С, СП, П). При этом данная токовая характеристика относится к случаю пуска без использования ступеней регулирования возбуждения на промежуточных группировках (С и СП) тяговых двигателей электровоза. Регулирование возбуждения на соединении (П), показанное прерывистыми линиями при переходе с одной ступени регулирования на другую, выполнено без учета увеличения скорости за время переходного процесса, вызванного изменением параметров цепи возбуждения.
При электрическом торможении кинетическая энергия поезда превращается в электрическую энергию. При этом тяговый двигатель, работающий в режиме генератора, создает тормозной момент:
,
где С – постоянная машины; Ф – магнитный поток; I – ток якоря тягового двигателя.
Согласно закону сохранения энергии:
,
где UI – электрическая мощность, вырабатываемая генератором;
I 2 R – мощность, затраченная на нагревание обмоток генератора.
С другой стороны механическая мощность генератора;
,
где – угловая скорость; Е – э.д.с. вращения генератора.
Тогда
.
В генераторном режиме, в отличие от двигательного, э.д.с. вращения (Е) больше, чем напряжение (U) на якоре.
Электрическое торможение позволяет обеспечить высокую эффективность торможения во всем диапазоне скоростей вплоть до остановки. Уменьшает износ тормозных колодок и бандажей; обеспечивает экономию электроэнергии при рекуперативном торможении; повышает безопасность движения, благодаря дополнительной тормозной системе.
10.1. Реостатное торможение (постоянный ток).
При реостатном торможении тяговый двигатель отключается от контактной сети и замыкается на тормозной реостат (резистор).
Переход тягового двигателя в генераторный режим происходит благодаря сохраняющемуся в нем потоку остаточного магнетизма. Для чего необходимо, чтобы при переходе из двигательного режима в генераторный сохранилось направление тока в обмотках возбуждения. С этой целью переключают либо выводы якорной обмотки (Я, ЯЯ), либо выводы обмотки возбуждения (К, КК).
Уравнение электрического равновесия при реостатном торможении имеет следующий вид:
,
где V – скорость поезда при реостатном торможении; R T – сопротивление тормозного реостата; r – сопротивление обмоток тягового двигателя.
Если при реостатном торможении N С двигателей включено последовательно и N П параллельно, то:
,
где R T . / - полное сопротивление тормозных резисторов.
Тогда
.
Зависимости между током двигателя и скоростью движения при установившемся режиме реостатного торможения будут выглядеть следующим образом:
;
.
Эти зависимости определяют основные характеристики реостатного торможения.
На рисунках приведены характеристики V (I) и ВД (V) при различных ступенях тормозного резистора. Там же нанесены ограничения характеристик реостатного торможения.
Тормозная сила, развиваемая одной тяговой машиной при любой схеме возбуждения равна:
,
где - составляющая сил, вызванная магнитными и механическими потерями.
При малых нагрузках реостатному торможению свойственны жесткие характеристики, которые с увеличением нагрузки становятся более мягкими. Это объясняется тем, что скорость при реостатном торможении обратно пропорциональна магнитному потоку. При реостатном торможении наиболее эффективно регулировать скорость, изменяя сопротивление тормозного реостата. Чем больше это сопротивление, тем при данном токе, а следовательно тормозной силе, скорость должна быть выше. Тормозную силу возможно также регулировать за счет изменения магнитного потока.
Наряду с ограничениями общими для тягового и тормозного режимов, при реостатном торможении имеет место дополнительное ограничение по максимально допустимому напряжению (UMAX) тягового двигателя. Опасность чрезмерного превышения напряжения связана с тем, что при реостатном торможении желательно реализовать большие тормозные силы при высоких скоростях движения. В этих условиях э.д.с. двигателя будет весьма значительна, т. к. он должен работать при больших магнитных полях и высоких скоростях, в отличие от тягового режима, где большим магнитным потокам соответствуют сравнительно низкие скорости.
При заданном токе I наибольшая допустимая скорость VMAX уравнением:
.
Выражая СФ через скорость тягового режима при номинальном напряжении U, получим:
,
где VД – скорость тягового режима, соответствующая напряжению U и току I, для которого определяются скорость и тормозная сила при реостатном торможении.
Поскольку у двигателей последовательного возбуждения, при нагрузках близких к максимальным, скорость примерно в два раза ниже наибольшей, то для эффективного применения реостатного торможения следует применять двигатели, допускающие в генераторном режиме, примерно двукратное превышение напряжения по сравнению с номинальным напряжением тягового режима. На такие режимы рассчитаны двигатели метрополитена и трамвая.
На электровозах и электропоездах постоянного тока обеспечить возможность работы ТЭД при значительном превышении напряжения – затруднительно, из – за их высокого номинального напряжения 1500 В. Поэтому на
электровозах и электропоездах реостатное торможение в основном применяют для подтормаживания на спусках.
10.2. Реостатное торможение ЭПС однофазно-постоянного тока.
На ЭПС однофазно – постоянного тока при реостатном торможении устанавливают специальные тормозные резисторы и аппаратуру, регулирующую процесс торможения. Обмотки возбуждения ТЭД при этом питают от дополнительной обмотки тягового трансформатора, через тиристорный регулятор возбуждения. Каждая тяговая машина в режиме торможения работает на отдельный тормозной резистор с интенсивной принудительной вентиляцией.
На рисунке приведена упрощенная схема силовой цепи электровоза ВЛ80Т в режиме реостатного торможения. Все обмотки возбуждения выведены из цепи якорей, соединены последовательно и получают питание от специальной выпрямительной установки, которая подключена к секции вторичной обмотки тягового трансформатора Т.
В случае исчезновения напряжения в контактной сети реостатное торможение становится невозможным.
Применение системы с последовательным возбуждением можно использовать лишь при регулировании в широких пределах сопротивления тормозных резисторов, что требует значительного количества коммутационной аппаратуры, разместить которую на электровозах переменного тока не представляется реальным.
10.3. Характеристики и свойства рекуперативного торможения ЭПС постоянного тока. Основные схемы рекуперации.
Одним из преимуществ электрической тяги является возможность применения рекуперативного торможения, при котором энергия поезда возвращается в контактную сеть. Тормозная сила при рекуперативном торможении поезда, как и при реостатном торможении, определяется выражением:
,
где NД – число тяговых двигателей; DВК – магнитные и механические потери в двигателе и тяговой передачи.
Для осуществления рекуперации необходимо, чтобы э.д.с. тяговой машины или сумма э.д.с. при последовательном их соединении превышала напряжение контактной сети. Э.д.с. тягового двигателя при рекуперации уравновешивает часть напряжения контактной сети, приходящуюся на один двигатель и падение напряжения в нем:
.
Скорость движения поезда при рекуперации:
.
При NC – последовательно соединенных ТЭД:
,
где ∑ Ir – суммарное падение напряжения в силовой цепи.
Коэффициент полезного действия пи рекуперации равен отношению отданной в сеть электрической мощности к механической мощности торможения:
,
где DРП – мощность цепей при независимом или параллельном возбуждении ТЭД.
По приведенным формулам можно построить характеристики рекуперативного торможения, если известна зависимость магнитного потока от тока рекуперации.
Двигатели последовательного и согласно-смешенного возбуждения непригодны для рекуперации, так как при работе на сеть они электрически неустойчивы.
На рисунке кривая (1) представляет зависимость э.д.с. машины последовательного возбуждения от тока рекуперации при V = const; прямая (2) – сумму U + Ir. Разность ординат линий (1) и (2) равна величине, где L – индуктивность силовой цепи якоря; i – ток якоря в переходном процессе.
Для переходного процесса справедливы соотношения:
Тогда при случайном уменьшении тока рекуперации, относительно тока соответствующего режиму электрического равновесия (точка а), э.д.с. становится меньше суммы U + ir, а значение становится меньше нуля. Это вызовет дальнейшее снижение э.д.с. вплоть до полного размагничивания машины.
При случайном увеличении тока э.д.с. становится больше суммы
U + ir и ток будет увеличиваться до тех пор, пока не достигнет значения I/, соответствующего точке а/ электрического устойчивого равновесия. Однако сила тока I/ при обычных параметрах ТЭД будет настолько велика, что практически недопустима.
Таким образом, условие устойчивости заключается в том, что знаки отклонения тока i и его производной должны быть противоположными.
Это условие можно записать в виде:
.
Или, учитывая, что V = const и, получим:
.
Так как кривая CФV – ir представляет внешнюю характеристику рекуперирующей машины, то условие электрической устойчивости при работе на сеть с постоянным напряжением заключается в необходимости иметь убывающую внешнюю характеристику. Такими характеристиками обладают машины независимого и встречно-смешанного возбуждения.
| На рисунке под цифрой (1) приведена зависимость э.д.с. машины встречно-смешенного возбуждения от тока рекуперации. Под цифрой (2) зависимость U + ir. Точка «а» пересечений линий (1) и (2) соответ-
|
ствует устойчивому равновесию, так как при увеличении тока рекуперации э.д.с. машины становится меньше U + ir, а при уменьшении тока превышает ее. Кривая (3) соответствует машине с независимым возбуждением, режим работы которой также электрически устойчив.
Таким образом, рекуперативное торможение может быть осуществлено только тяговыми двигателями с встречно-смешанным и независимым возбуждением.
| На рисунке приведена схема рекуперативного торможения с независимым возбуждением.
Здесь М – якорь ТЭД; ОВ – обмотка возбуждения ТЭД; В – якорь возбудителя; ОВВ – обмотка возбуждения возбудителя; RП – реостат, ограничивающий пусковой ток возбудителя; IB – ток в обмотке возбуждения ТЭД; ЕВ – э.д.с. возбудителя; rB – сопротивление обмотки возбуждения ТЭД; r0 – внутреннее сопротивление возбудителя.
|
| Рекуперативное торможение с противовозбуждением.
|
| Здесь возбудитель снабжен двумя обмотками: НВ – обмотка независимого возбуждения; ПВ – обмотка противовозбуждения, по которой протекает ток рекуперации. Вследствие размагничивающего действия обмотки противовозбуждения, э.д.с. возбудителя и м.д.с. тяговой машины уменьшаются с ростом тока рекуперации.
|
10.4. Особенности систем рекуперативного торможения э.п.с. однофазно-постоянного тока.
На электровозах однофазно-постоянного тока с плавным тиристорным регулированием напряжения переход в режим рекуперации особых затруднений не вызывает. Однако возникает проблема передачи энергии постоянного тока, вырабатываемой тяговыми машинами при рекуперации, в контактную сеть переменного тока, причем возникает необходимость в инвертировании тока.
Рассмотрим процесс регулирования напряжения в двухфазной выпрямительной установки с нулевым выводом.
Если a > p/2 то постоянная составляющая ud имеет обратный знак, а ток, который вследствие вентильных свойств выпрямителя изменить свое направление не может, будет протекать лишь при условии, что двигатели имеют обратную (по отношению к тяговому режиму) полярность и работают в генераторном режиме.
Таким образом, для перехода на рекуперативное торможение необходимо, чтобы тяговые двигатели были переведены в генераторный режим при обратной полярности, а угол отпирания тиристоров a превышал 90о.
Кроме того, для обеспечения нормального процесса инвертирования угол a не должен превышать некоторую величину, при которой процесс коммутации полностью заканчивается в пределах данного полупериода, т.е. до момента прохождения кривой напряжения через ноль.
Если коммутация не заканчивается к концу полупериода, то начинается обратная коммутация, когда в следующий полупериод ток будет протекать в
обмотке трансформатора согласно с э.д.с. Таким образом, возникает режим короткого замыкания, последовательно соединенных выпрямителя и тяговых двигателей, работающих в режиме генератора. Это явление, при позднем окончании коммутации, принято называть опрокидыванием инвертора.
В нормальном режиме инвертирования процесс коммутации должен завершиться до окончания полупериода напряжения сети:
g < p-a,
где g - угол коммутации (перекрытия).
При этом требуется некоторый угол запаса:
d = p - (a+g),
необходимый для восстановления запирающей способности тиристоров.
Среднее значение выпрямленного напряжения или зависимость напряжения инвертора от нагрузки равно:
,
где - среднее значение напряжения инвертора при холостом ходе; - реактивное сопротивление цепи переменного тока.
Угол a выбирается минимальным, по предельному значению
a = p - (g+d),
для наибольшей нагрузки и наибольшего значения, который регулируется с таким расчетом, чтобы при любых условиях выпрямитель работал в режиме близким к предельному.
2014-02-09
1669
