Пуск и регулирование скорости ЭПС постоянного тока.

6.1. Процесс пуска поезда.

 

В момент трогания поезда с места, когда его скорость равна нулю (V=0), э.д.с. вращения двигателя также равна нулю (E=0). Если в этом случае двигатель электровоза (например ВЛ11^М) включить на номинальное напряжение U=1500 В, то сила тока, при сопротивлении обмоток двигателя R ≈ 0.13 Ом, будет равна:

 

,

 

что недопустимо для электродвигателя и тяговой передачи.

Даже при последовательном соединении нескольких тяговых электродвигателей (ТЭД) силу тока при пуске необходимо уменьшать.

С этой целью в цепь ТЭД вводят пусковой реостат, тогда ток двигателя, при включенном последовательно с ним реостата, будет равен:

 

,

где

- постоянная машины ; V – поступательная скорость движения (км/ч); Ф – магнитный поток (Вб); R – сопротивление пускового реостата (Ом); r – сопротивление обмоток двигателя (Ом).

В выражении для постоянной машины: Z – число проводников обмотки якоря; р – число пар полюсов; а_ПАР – число параллельных ветвей обмотки якоря.

Рассмотрим упрощенную силовую цепь тягового электропривода и схему его замещения.

 

 

 

E

I

I

E

R

r

БВ

R

U

U

ОВ

М

+

–

–

+

 

С учетом схемы замещения можно записать:

 

 

или

.

С другой стороны

(В),

или

(В).

Тогда

.

Откуда

.

 

Или решая относительно тока, получим:

 

,

или

.

Таким образом, последняя формула дает возможность рассчитать скоростную характеристику V(I) ТЭД по заданной зависимости СФ(I) (СФ – кривая намагничивания ТЭД).

II

в

I

а

V

I

r+R

VП

U/IП

IП

r

Из последнего выражения видно, что для разгона ТЭД с неизменным пусковым током необходимо изменять сопротивление пускового реостата R в линейной зависимости от скорости.

 

 

Рассмотрим случай непрерывного плавного уменьшения сопротивления R, обеспечивающего постоянство пускового тока (см. рисунок).

На рисунке в квадранте II прямая «ав» представляет собой зависимость скорости движения ЭПС от суммарного сопротивления (r+R), при I_П =const.

В квадранте I лежит характеристика V(I) ТЭД при полностью выведенном пусковом резисторе (R = 0). Прямая «ав» построена по двум точкам: точка «а» соответствует моменту трогания, в которой V = 0, а r+R = U/ I_П; точка «в» соответствует моменту окончания пуска, когда R = 0, а V = V_Ппри токе I_Пна характеристике двигателя.

Рассмотрим диаграмму распределения напряжений при пуске двух тяговых двигателей, когда они включены сначала последовательно, а затем параллельно.

 

tП

rIП

U

U/2

RIП

rIП

CФV

d

c

b

a

t

tП1

tП2

U,

CФV,

RIП,

 

На рисунке прямая (1) изображает э.д.с. (E = CФV) ТЭД, пропорциональную скорости движения поезда.

Прямая (2) соответствует подведенному к ТЭД напряжению U и проходит выше прямой (1) на постоянную величину rI_П. При последовательном соединении ТЭД на отрезке «ab» (интервал времени t_П1) осуществляется вывод пусковых резисторов. В момент времени соответствующий точке «b» напряжение на зажимах ТЭД становится равным половине напряжения U, и они работают при выведенных пусковых резисторах.

Для того, чтобы сохранить неизменным пусковой ток для дальнейшего разгона поезда, в этот момент необходимо перейти на параллельное соединение ТЭД и снова ввести часть пусковых реостатов точка «с», потеря напряжения на которых в момент перехода равна U/2.

Затем сопротивление пусковых резисторов снова уменьшают (интервал времени t_П2) и в момен, когда они полностью выведены, напряжение на зажимах ТЭД становится равным подведенному напряжению U (точка d).

 

 

Электромагнитная сила тяги двигателя при отсутствии механических и магнитных потерь выражается следующей формулой

 

(кг).

 

Или учитывая, что , получим:

 

(кг).

 

Сила тяги двигателя будет равна электромагнитной силе тяги F_Эза вычетом потери силы тяги DF_Э вызванной магнитными и механическими потерями:

 

(кг).

 

 

6.2. Расчет ступеней пускового реостата для одной группировки ТЭД.

 

 

Ступени пускового реостата следует рассчитывать так, чтобы при заданном числе ступеней иметь как можно меньшую неравномерность пуска, коэффициент которого рассчитывается согласно выражению:

 

,

 

где I_CР - среднее значение пускового тока.

 

Если принять ток I_max не зависящим от скорости, то наиболее выгодный режим пуска будет такой, когда колебания тока будут лежать в пределах от I_min до I_max .

Диаграмма пуска одного ТЭД для этих условий имеет вид ломаной линии V(R), вершины которой пересекаются поочередно с верхней и нижней предельными прямыми I_min и I_max (см. рисунок).

 

I

V

R

Imin

Imax

A

B

C

D

E

F

A/

B/

C/

D/

E/

F/

R0

R1

R2

R3

R4

R5

DR

Imin

Imax

VA

VA//

VA/

V/

 

Построение этих прямых производится по двум точкам. Для минимального тока (I_min) координаты первой точки V = V_A^// и R = 0, а координаты второй точки V = 0 и .

Для максимального тока (I_max) координаты первой точки V = V_A^/ и

R = 0, а координаты второй точки V = 0 и .

Из построения следует, что в момент трогания поезда при V = 0, сила тока равна значению I_max, что соответствует сопротивлению первой ступени R₁. Далее при постоянном сопротивлении скорость возрастает (отрезок АВ), а ток уменьшается (отрезок А^/В^/). В точке В, при скорости V = V^/ и токе I = I_min, следует выключить первую ступень пускового реостата. При этом, чтобы ток не превысил величину I_max, сопротивление выключаемой ступени должно быть равным DR, а остающееся сопротивление второй ступени – величине R₂.

Величине R₂ соответствует точка С, которая лежит на пересечении прямой, проходящей параллельно оси R через точку В, с предельной прямой I_max.

 

 

Далее построение осуществляется тем же порядком. Отрезки R₃, R₄, R₅ соответствуют сопротивлениям третьей, четвертой и пятой ступеней. В соответствии с ломаной линией ABCDEF и т. д., зависимость скорости от пускового тока соответствует ломаным А^/В^/, C^/D^/, E^/F^/.

На последней реостатной ступени при снижении тока до I_min может получиться, что V > V_A^/. В этом случае режим пуска будет отличаться от наиболее выгодного, когда на каждой ступени полностью используются пределы колебания тока. В этом случае незначительным изменением пределов отклонения можно достигнуть равенства V = V_A^/.

Если имеет место последовательно–параллельное соединение ТЭД, то сопротивление R пускового реостата, отнесенное к одному двигателю, при общем его сопротивлении R^/ равно:

 

,

 

где n_П – число параллельно включенных двигателей, n_С – число последовательно включенных двигателей.

 

 

6.3. Ослабление поля тяговых двигателей.

 

 

Для увеличения числа ходовых ступеней скорости на электрическом подвижном составе применяют регулирование возбуждения ТЭД , которое можно достичь двумя способами: выключением части витков катушек главных полюсов или шунтированием обмоток возбуждения ТЭД сопротивлением. Иногда применяют комбинацию двух этих способов.

Степень ослабления поля, для одного и того же тока якоря, характеризуется отношением намагничивающей силы возбуждения при ослабленном поле (F_{К ОП}) к намагничивающей силе при полном поле (F_{К ПП}). Это отношение называют коэффициентом регулирования возбуждения:

 

.

 

Магнитный поток для двигателей с насыщенной магнитной системой ослабляется в меньшей степени, чем уменьшается намагничивающая сила возбуждения.

 

 

FК ОП

FК ПП

F

ФПП

ФОП

Ф

На рисунке приведена магнитная характеристика ТЭД, где по горизонтальной оси отложены значения намагничивающей силы обмотки возбуждения при полном и ослабленном поле, а по вертикальной - соответствующие значения магнитного потока.

Из рисунка видно, что .

Теперь рассмотрим процесс изменения скорости при ослаблении магнитного потока двигателя.

I

I1

I3

I2

F1

F3

F2

V1

V3

V,

F

а

b

c

 

На рисунке изображены характеристики двигателя при полном поле (кривые 1,2) и при ослабленном поле (кривые 3,4).

Пусть при полном поле тяговых двигателей поезд движется с установившейся скоростью V₁ при силе тяги F₁ и токе I₁. Этот режим соответствует точке «а».

С переходом на работу по характеристике ослабленного поля ток возрастает до величины I₂, соответствующей скорости V₁ (точка «b»). Одновременно увеличивается и сила тяги, которая становится равной F₂, вследствие чего начинает увеличиваться скорость. По мере увеличения скорости уменьшаются ток и сила тяги до тех пор, пока не установится новое состояние равновесия, определяемое током I₃ и силой тяги F₃ (точка «с»).

Установившаяся сила тяги F₃ немного превышает первоначальную силу F₁ за счет некоторого увеличения сопротивлению движения поезда при повышении скорости от значения V₁ до V₃.

 

 

6.3.1. Выключение части витков обмотки возбуждения.

 

I

w1

w2

М

На ступени скорости с ослабленным возбуждением из общего числа витков обмотки возбуждения w = w1 + w2, в результате замыкания контактора 2 и размыкания контактора 1, выключаются витки обмотки w2, а в цепи остаются витки обмотки w1. В этом случае при полном возбуждении: FК ПП =Iw, при ослабленном возбуждении: FК ОП =Iw1.   Тогда   .

Недостатком такого способа является необходимость в дополнительных выводах обмоток полюсов ТЭД, что усложняет конструкцию двигателя.

 

 

6.3.2. Шунтирование обмотки возбуждения активным сопротивлением.

 

I

М

w

ИШ

RШ

RШ/

RШ//

1

2

IB

В этом случае для ослабления поля параллельно обмотке возбуждения включается резистор RШ и тогда IB = I – IШ. При полном возбуждении FПП = Iw, а при ослабленном возбуждении FОП = IВ w < FПП. Коэффициент регулирования возбуждения при этом равен: . Согласно схеме:   UАВ = IBRB; UАВ = IШ (RШ + RИШ), где RB – сопротивление обмотки возбуждения; RИШ – сопротивление индуктивного шунта,

IШ

А

В

и следовательно I_BR_B = I_Ш (R_Ш + R_ИШ).

Согласно первому закону Кирхгофа: I_Ш = I – I_В = I – I = I (1 – ). Тогда при замкнутом контакторе 1 (первая ступень ослабления) получим:

 

,

 

где .

 

При замыкании контактора 2 (вторая ступень ослабления) получим:

 

,

 

причем ₂ < ₁.

 

Таким образом, коэффициент зависит от величины R_Ш и его можно изменять переключением этого резистора.

Этот способ ослабления возбуждения получил наибольшее распространение. К недостаткам этого способа следует отнести необходимость применения индуктивного шунта, для сглаживания переходных процессов при колебаниях напряжения на зажимах ТЭД.