ПЕРЕГРУППИРОВКА ДВИГАТЕЛЕЙ. ГРУППОВЫЕ ПЕРЕКЛЮЧАТЕЛИ
Чтобы увеличить скорость движения, нужно повысить напряжение, подводимое к двигателю. Это достигается перегруппировкой тяговых двигателей в силовой цепи электровоза.
Переключая двигатели с одного соединения на другое, можно получить на каждом из них три значения напряжения при выведенном реостате:
Буквы в скобках — это условные обозначения соединения двигателей. В период эксплуатации первых электровозов вместо термина «последовательное соединение» использовали «сериесное», отсюда буквы С в обозначениях. Строго говоря, высшее (по напряжению) соединение двигателей не является чисто параллельным, так как в каждую ветвь включено последовательно два двигателя.
Переключение тяговых двигателей с одного соединения на другое называют переходом. Наиболее просто переход можно осуществить следующим образом: отключить тяговые двигатели от контактной сети, произвести необходимые переключения (перегруппировку двигателей) и снова подключить их к контактной сети. Сила тяги сначала снизится до нуля, а затем при включении тяговых двигателей по новой схеме возникнет ее бросок. Поэтому такой переход на магистральных электровозах не применяют.
Переходы с одного соединения тяговых двигателей на другое осуществляют: коротким замыканием части двигателей; параллельным подключением к переключаемым двигателям резисторов; по схеме моста; с помощью вентильного перехода. При всех перечисленных способах перегруппировки тяговых двигателей теряется часть силы тяги, но в разной степени.
В процессе перехода коротким замыканием в обмотках якоря двигателей продолжает индуцироваться э. д. с. вследствие остаточного магнетизма, и двигатели кратковременно работают в генераторном режиме, создавая тормозной момент. На современных восьмиосных электровозах переход с последовательного на последовательно-параллельное соединение осуществляют замыканием части двигателей секциями пускового реостата, благодаря чему снижается генераторный ток (тормозной момент). На электровозах ВЛ11 в цепь отключенных двигателей вместо резисторов включены полупроводниковые диоды — приборы с односторонней электрической проводимостью. Это обеспечивает размыкание цепи для генераторного тока.
Операции перехода осуществляют с помощью аппаратов, называемых групповыми переключателями, которые называют еще групповыми контакторами, или кулачковыми переключателями. В них имеется один общий привод для нескольких контакторов. Собирают групповые переключатели из поставленных в ряд контакторных элементов. Контакторные элементы такого типа называют механическими, или кулачковыми, так как включение или отключение их осуществляется механическим воздействием кулачкового вала переключателя.
В отличие от индивидуальных групповые контакторы используют в цепях, где необходимо производить цикл переключений в определенной последовательности, в том числе и для переключений двигателей с одного соединения на другое.
На восьмиосных электровозах для перехода с последовательного соединения на последовательно-параллельное, осуществляемого замыканием четырех тяговых двигателей на секции пускового реостата, применены групповые переключатели, имеющие четыре контакторных элемента, вал с четырьмя кулачками (по числу контакторных элементов), пневматический привод и блокировочное устройство. Кулачки (рис. 37, а) имеют выступы и впадины. Выступы кулачков при повороте вала набегают на ролики подвижных контактов, что приводит к замыканию контактов контакторных элементов; впадины позволяют контактам размыкаться. Последовательность замыкания и размыкания контактов группового переключателя определяется очертанием кулачков и взаимным их расположением на валу. Пневматический привод (рис. 37, б) включает в себя цилиндр, два поршня, соединенных зубчатой рейкой, два электромагнитных вентиля В1, В2 и воздухопроводы, подводящие к приводу сжатый воздух. Чтобы управлять подачей сжатого воздуха, используют электропневматические вентили. Вентиль В2 включающего типа, В1 — выключающего. Выключающий вентиль отличается от включающего только расположением клапанов. При обесточенной катушке выключающий вентиль открывает доступ сжатому воздуху в полость цилиндра. Если же возбудить катушку, то полость цилиндра через вентиль сообщится с атмосферой.
Привод группового переключателя имеет два фиксированных положения. Одно из них он занимает, когда катушки вентилей обесточены. Тогда сжатый воздух поступает в левую полость цилиндра и поршни перемещаются в крайнее правое положение. В другом положении привод находится, когда катушки обоих вентилей возбуждены. В этом случае левая полость цилиндра сообщается с атмосферой, а правая — с источником сжатого воздуха. Поршни перемещаются влево, вместе с поршнями перемещается зубчатая рейка, вращающая зубчатое колесо и кулачковый вал. Контакторные элементы, контакты которых включены в силовую цепь, производят соответствующие переключения, необходимые для перехода с последовательного на последовательно-параллельное соединение тяговых двигателей.
Перед тем как начать перегруппировку двигателей, включают в их цепь секции R1 и R2 пускового реостата, разомкнув контакты индивидуальных контакторов 1 и 2 (рис. 38, а). Это необходимо в связи с тем, что после отключения четырех двигателей из восьми, включенных последовательно, сопротивление обмоток двигателей и сумма. э. д. с. в обмотках якорей уменьшатся в 2 раза, что вызовет резкий бросок тока и срабатывание защиты. Кроме того, необходимо подготовить включение резистора R2 для уменьшения тока, генерируемого двигателями V—VIII после замыкания контакторного элемента 4, Поэтому резистор R2 включен между тяговыми двигателями IV и V.
Затем включаются катушки вентилей В1 и В2 группового переключателя (см. рис. 37, б). Поршень, перемещаясь справа налево, поворачивает вместе с зубчатым колесом кулачковый вал привода по часовой стрелке. Выступы и впадины кулачков расположены так, что сначала включаются контакты контакторного элемента 4 (рис. 38, б). Вследствие этого двигатели V—VIII замыкаются на резистор R2,
При дальнейшем повороте кулачкового вала выключается контакторный элемент 3, в результате чего остаются подключенными к контактной сети тяговые двигатели I—IV вместе с резистором R1, а двигатели V—VIII отключаются от нее (рис. 38, в). Затем включается контакторный элемент 5 группового переключателя ПКГ, тяговые двигатели V—VIII с резистором R2 подключаются параллельно двигателям I—IV и к контактной сети (рис. 38, г).
Переход завершается включением индивидуального контактора 6, соединяющего параллельно резисторы R1 и R2 (рис. 38, д). Это позволяет ввести общий реостат R1 и R2 в две параллельные цепи тяговых двигателей. Затем, осуществляя различные соединения секций реостата с помощью индивидуальных контакторов, постепенно уменьшают его сопротивление до нуля.
Переход на параллельное соединение двигателей в принципе не отличается от перехода на последовательно-параллельное, только теперь к двум парам тяговых двигателей подключаются раздельно и параллельно секции пускового реостата. Переход осуществляется на восьмиосных электровозах двумя групповыми переключателями. Устройство и действие их такие же, как и у описанного выше. Разница заключается лишь в том, что вместо четырех каждый из них имеет по шесть контакторных элементов.
На отечественных шестиосных электровозах используют один групповой переключатель (вместо трех у восьмиосных), осуществляющий в заданной последовательности переключение двигателей с одного соединения на другое. Конструкция таких переключателей более сложная, так как у них уже не один, а два цилиндра с поршнями соединены зубчатой рейкой или двумя рейками, которые зубчатым колесом поворачивают кулачковый вал. Вал фиксируется в трех положениях в соответствии с тремя соединениями двигателей.
При переходе по схеме моста, применяемом на пассажирских электровозах ЧС1 и ЧСЗ, электровозе двойного питания ВЛ82м, нужно иметь два реостата с равными сопротивлениями (рис. 39). Если их выводы включить накрест к точкам а и б (участок а—б называют мостом), ток не пойдет через контактор К и его можно отключить, не разрывая цепи.
После отключения контактора двигатели будут соединены параллельно, но ток, проходящий по их обмоткам, останется прежним, так как в цепь каждого двигателя включена секция резисторов. Следовательно, сила тяги электровоза при этом не изменится. Выводя постепенно секции резисторов R, переходят на ходовую безреостатную характеристику параллельного соединения. Токи в параллельно включенных резисторах и двигателях могут быть равны только при строго определенных скоростях и напряжении в контактной сети. В других случаях ток в мосте а—б не будет равен нулю.
Электровоз ВЛ11 может работать в составе трех и четырех секций; на нем предусмотрено три соединения двигателей: последовательное, последовательно-параллельное и параллельное. При последовательном соединении в трехсекционном варианте тяговые двигатели всех секций соединены последовательно (на каждый двигатель приходится 250 В). Если электровоз состоит из четырех секций, включаются последовательно тяговые двигатели двух секций. На последовательно-параллельном соединении четыре тяговых двигателя каждой секции соединены последовательно, на параллельном соединении — параллельно, по два двигателя в каждом плече.
Предусмотрена возможность работы одной секции. В этом случае с последовательного соединения четырех двигателей на параллельное (по два в каждом плече) двигатели переключают, применяя вентильный переход. При этом упрощается операция перегруппировки тяговых двигателей, а время переключения уменьшается. Принцип вентильного перехода для двух группировок двигателей пояснен на рис. 40.
Сначала при выведенных пусковых реостатах R1 и R2 (замкнуты контакторы 1, 2, 3, 4, 5, 6) и последовательном соединении двигателей (контакторы 7 и 9 разомкнуты) выключается контактор 8 и в цепь вводится диод VD. Затем после отключения контакторов 3, 4, 5 в цепь двигателя вводятся параллельно включенные реостаты R1 и R2. Чтобы соединить двигатели параллельно, включают контакторы 7 и 9. Диод VD при этом обеспечивает разделение параллельных цепей двигателей. Контакторы 4, 7, 8 к 9 выполняют групповыми. При одновременном замыкании контакторов 7 и 9 снижение тока и силы тяги в процессе перегруппировки связано только с предварительным введением реостатов. В продолжительном режиме тяги на последовательном соединении двигателей диод VD шунтирован контактором 8.
Для обратного перехода с параллельного соединения на последовательно-параллельное и, наконец, на последовательное, что необходимо в случае уменьшения скорости поезда, прекращают в определенной последовательности питание катушек группового переключателя. Кулачковые валы под воздействием перемещающихся поршней поворачиваются в противоположном направлении, производя соответствующие переключения.
Таким образом, используя различные группировки двигателей, можно получить несколько ходовых характеристик. Однако этих ходовых характеристик для обеспечения экономичной работы локомотива, безусловно, мало. Что еще .можно сделать для расширения диапазона изменения его скоростей?
Источник
Способы перегруппировки тяговых электродвигателей
Перегруппировка двигателей. Групповые переключатели
Чтобы увеличивать скорость движения, нужно продолжать повышать напряжение, подводимое к двигателям. Для этого двигатели соединяют последовательно-параллельно (т. е. образуют две параллельные цепи по четыре двигателя в каждой на восьмиосных электровозах или по три на шестиосных), а затем параллельно.
Регулирование напряжения, подводимого к двигателям, и тем самым частоты их вращения переключением с одного соединения на другое позволяет получить на каждом двигателе три значения напряжения при выведенном реостате:
Буквы в скобках — это условные обозначения соединения двигателей. В период эксплуатации первых электровозов вместо термина «последовательное соединение» использовали «сериесное соединение», отсюда буквы С в обозначениях.
Строго говоря, высшее (по напряжению) соединение двигателей не является чисто параллельным, так как в каждую ветвь включено последовательно два двигателя.
Переключение тяговых двигателей с одного соединения на другое называют переходом. Наиболее просто переход можно осуществить следующим образом: отключить тяговые двигатели от контактной сети, произвести необходимые переключения (перегруппировку двигателей) и снова подключить их к контактной сети. Но при этом сила тяги сначала снизится до нуля, а затем при включении тяговых двигателей по новой схеме возникнет ее бросок. Поэтому такой переход на магистральных электровозах не применяют. Переходы с одного соединения тяговых двигателей на другое осуществляют коротким замыканием части двигателей, параллельным подключением к переключаемым двигателям резисторов, по схеме моста. При всех перечисленных способах во время перехода теряется только часть силы тяги.
При переходе коротким замыканием в обмотках якоря двигателей продолжает индуктироваться э. д. с. вследствие остаточного магнетизма и двигатели начинают работать в генераторном режиме, создавая тормозной момент. Поэтому на современных восьмиосных электровозах переход с последовательного на последовательно-параллельное соединение осуществляют замыканием части двигателей секциями пускового реостата, благодаря чему снижается генераторный ток (тормозящий момент). На новых электровозах ВЛ11 в цепь отключенных двигателей вместо резисторов включены полупроводниковые диоды — приборы с односторонней электрической проводимостью, что обеспечивает запирание цепи для генераторного тока.
Операции перехода осуществляют с помощью аппаратов, называемых групповыми переключателями. Групповые переключатели называют еще групповыми контакторами, или кулачковыми переключателями. В них имеется один общий привод для нескольких контакторов. Собирают групповые переключатели из поставленных в ряд контакторов — контакторных элементов. Контакторные элементы такого типа называют механическими, или кулачковыми, так как включение или отключение их осуществляется механическим воздействием кулачкового вала переключателя.
В отличие от индивидуальных контакторов групповые используют в цепях, где необходимо производить цикл переключений в определенной последовательности, в том числе и для переключений двигателей с одного соединения на другое.
На восьмиосных электровозах для перехода с последовательного соединения на последовательно-параллельное замыканием четырех тяговых двигателей на секции пускового реостата применены групповые переключатели, имеющие четыре контакторных элемента, установленных на раме, вал с четырьмя кулачками (по числу контакторных элементов), пневматический привод и блокировочное устройство. Кулачки (рис. 37, а) имеют выступы и впадины. Выступы кулачков при повороте вала набегают на ролики подвижных контактов, что приводит к замыканию контактов контакторных элементов; впадины позволяют контактам размыкаться.
Рис. 37. Контакторный элемент (а) и пневматический привод группового переключателя восьмиосного электровоза (б)
Последовательность замыкания и размыкания контактов группового переключателя определяется очертанием кулачков и взаимным их расположением на валу. Пневматический привод (рис. 37, б) включает в себя цилиндр, два поршня, соединенных зубчатой рейкой, два электромагнитных вентиля B1, B2 и воздухопроводы, подводящие к приводу сжатый воздух. Подачей сжатого воздуха управляют с помощью электропневматических вентилей. Вентиль В2 включающего типа, В1 — выключающего. Выключающий вентиль отличается от включающего (см. рис. 30, б) только расположением клапанов. При обесточенной катушке выключающий вентиль открывает доступ сжатому воздуху в полость цилиндра. Если же возбудить катушку, то полость цилиндра через вентиль сообщится с атмосферой.
Привод группового переключателя имеет два фиксированных положения. Одно из них он занимает, когда катушки вентилей обесточены. Тогда сжатый воздух поступает в левую полость цилиндра и поршни перемещаются в крайнее правое положение. В другом положении привод находится, когда катушки обоих вентилей возбуждены. В этом случае левая полость цилиндра сообщается с атмосферой, а правая с источником сжатого воздуха. Вместе с поршнями перемещается зубчатая рейка, вращающая зубчатое колесо и кулачковый вал против часовой или по часовой стрелке. Контакторные элементы, контакты которых включены в силовую цепь, производят соответствующие переключения, необходимые для перехода с последовательного на последовательно-параллельное соединение тяговых двигателей.
Перед тем, как начать перегруппировку двигателей, включают в их цепь секции Р1 и Р2 пускового реостата, разомкнув контакты индивидуальных контакторов 1 и 2 (рис. 38, а). Это необходимо в связи с тем, что после отключения четырех двигателей из восьми, включенных последовательно, сопротивление обмоток двигателей и сумма э. д. с. в обмотках якорей уменьшится в 2 раза, что вызовет резкий бросок тока и срабатывание защиты. Кроме того, необходимо подготовить включение резистора Р2 для уменьшения тока, генерируемого двигателями V-VIII, после отключения этих двигателей от контактной сети. Поэтому резистор Р2 включен между тяговыми двигателями IV и V.
Рис. 38. Схемы перехода с последовательного соединения тяговых двигателей на последовательно-параллельное
Затем включаются обмотки катушки вентилей В1 и В2 группового переключателя (см. рис. 37, б). Поршень, перемещаясь справа налево, поворачивает вместе с зубчатым колесом кулачковый вал привода по часовой стрелке. Выступы и впадины кулачков расположены так, что сначала включаются контакты контакторного элемента 3 (рис. 38, б) * . Вследствие этого двигатели V-VIII замыкаются на резистор Р2.
* ( Для того чтобы отличать на силовых, схемах электровозов постоянного тока обозначение контактов индивидуальных контакторов, от групповых, условились изображение последних вписывать в окружность, что стандартами ЕСКД не предусмотрено.)
При дальнейшем повороте кулачкового вала выключается контакторный элемент 4, в результате чего остаются подключенными к контактной сети тяговые двигатели I-IV вместе с резистором Р1, а двигатели V-VIII отключаются от нее (рис. 38, в). Затем включается контактор 5 группового переключателя, тяговые двигатели V-VIII подключаются параллельно двигателям I-IV и к контактной сети (рис. 38, г).
Переход завершается включением индивидуального контактора 6, соединяющего параллельно резисторы Р1 и Р2 (рис. 38, д). Это позволяет включить общий реостат Р1 и Р2 в две параллельные цепи тяговых двигателей. Затем, осуществляя различные соединения секций реостата с помощью индивидуальных контакторов, постепенно уменьшают его сопротивление до нуля.
Переход на параллельное соединение двигателей в принципе не отличается от перехода на последовательно-параллельное, только теперь к двум парам тяговых двигателей раздельно подключаются параллельно секции пускового реостата. Переход осуществляется на восьмиосных электровозах двумя групповыми переключателями. Устройство и действие их такие же, как и у описанного выше. Разница заключается лишь в том, что вместо четырех каждый из них имеет по шесть контакторов.
На отечественных шестиосных электровозах используют один групповой переключатель (вместо трех у восьмиосных), осуществляющий в наперед заданной последовательности переключение двигателей с одного соединения на другое. Конструкция таких переключателей более сложная, так как у них уже не один, а два цилиндра с поршнями соединены зубчатой рейкой или двумя рейками, которые зубчатым колесом поворачивают кулачковый вал. Вал фиксируется в трех положениях в соответствии с тремя группами соединения двигателей.
На восьмиосных электровозах ВЛ11 предусмотрена возможность работы одной секции. Здесь переход с последовательного соединения четырех двигателей на параллельное (по два в каждом плече) осуществляют способом моста.
Такой же способ перехода применен на четырехосных электровозах серий ЧС1 и ЧС3. При мостовом переходе (рис. 39) нужно иметь два резистора с равными сопротивлениями. Бели выводы резисторов включить накрест к точкам а и б (участок а-б называют мостом), то ток не пойдет через контактор К и его можно отключить, не разрывая цепи тока.
Рис. 39. Переход с последовательного соединения тяговых двигателей на параллельное способом моста
После отключения контактора двигатели соединены параллельно, но ток, проходящий по их обмоткам, остался прежним, так как в цепи каждого двигателя включен резистор. Следовательно, сила тяги электровоза при этом не изменится. Выводя постепенно секции резисторов r, переходят на автоматическую характеристику параллельного соединения. Равенство токов в резисторах и двигателях при их параллельное включении может быть только при строго определенной скорости и определенном напряжении в контактной сети. В других случаях ток в мосте а-б не будет равен нулю.
На новом опытном электровозе ВЛ11, который преимущественно будет работать в составе трех секций, предусмотрено три соединения двигателей: последовательное, последовательно-параллельное и параллельное. На последовательном соединении тяговые двигатели трех секций соединены последовательно (на каждый двигатель приходится 250 В). В случае четырех секций включаются последовательно тяговые двигатели двух секций. На последовательно-параллельном соединении четыре тяговых двигателя каждой секции соединены последовательно; на параллельном соединении — параллельно, по два двигателя в каждой секции.
Для обратного перехода с параллельного соединения на последовательно-параллельное и, наконец, на последовательное, что необходимо в случае уменьшения скорости поезда, прекращают в определенной последовательности питание катушек группы переключателей. Кулачковые валы под воздействием перемещающихся поршней поворачиваются в противоположном направлении, производя соответствующие переключения.
Следовательно, используя различные группировки двигателей, можно получить большее число ходовых характеристик. Еще одно преимущество применения группировок заключается в уменьшении потерь энергии в пусковом реостате. Так, при трехступенчатом пуске восьмиосного электровоза потери энергии в реостате примерно в 2,7 раза меньше по сравнению с теми, которые были бы, если бы пуск с выходом на параллельное соединение осуществлялся одной ступенью. Какое же из этих преимуществ явилось основной причиной применения нескольких группировок двигателей? Можно смело утверждать, что в основном промежуточные группировки тяговых двигателей применяют, стремясь не к экономии энергии, что, конечно, немаловажно, а к увеличению гибкости эксплуатации. Однако и трех ходовых скоростей для обеспечения экономной работы локомотива, безусловно, мало. Что еще можно сделать для расширения диапазона скоростей?
Источник
