Способы регулирования частоты вращения якоря тэд
Способы регулирования частоты вращения. Частоту вращения якорей тяговых двигателей можно регулировать, изменяя напряжение £/д на зажимах двигателя или магнитный поток Ф, т. е. коэффициент возбуждения 6. Напряжение С/д изменяют с помощью пускового реостата, включенного последовательно с двигателями, и тиристорных преобразователей, а также применением различных схем соединений тяговых двигателей.
Реостатный пуск. В момент пуска и разгона электровоза или моторного вагона электропоезда для увеличения напряжения на зажимах двигателя и поддержания необходимых тока и силы тяги выводят ступенями пусковой реостат, т. е. осуществляют реостатный пуск. Для длительной езды под током применяют различные соединения тяговых двигателей и ступени ослабления возбуждения. Скоростные характеристики v(I), соответствующие различным схемам соединения двигателей при выведенном пусковом реостате и коэффициентам возбуждения, называют экономическими (ходовыми); характеристики, соответствующие работе на различных ступенях реостатного пуска, — реостатными.
В период пуска и разгона поезда якоря тяговых двигателей должны развивать частоту вращения от нуля до значения, соответствующего выходу на безреостатную характеристику. На электровозах, где пусковой режим машинист изменяет в широкик пределах сообразно с весом поезда, профилем пути и условиями сцепления, чаше всего применяют неавтоматический ступенчатый реостатный пуск. Плавное изменение сопро-
тивления пускового реостата, рассчитанного на большой ток, принципиально возможно при импульсном регулировании его тиристорным преобразователем.
В процессе пуска почти всегда реализуется максимальная по сцеплению сила тяги. Отклонение пускового тока /„ и силы тяги от средних значений при ступенчатом реостатном пуске характеризуют соответственно коэффициентами неравномерности пуска по току и силе тяги кл[ и киР.
Чтобы пуск электровоза или электропоезда происходил без боксования, для любой позиции должно быть соблюдено уСЛОВИе / тах/Я обычно в 1,2—1,25 раза больше коэффициента кн1. Полученное значение /’тах для электровозов проверяют также по перегрузочной способности двигателя. Наибольшее значение
тока при пуске не должно превышать ^3*= кпЛ (здесь кпэ = 1,4 1,6 — коэффициент эксплуатационной перегрузки для электровозов с неавтоматическим пуском).
С уменьшением числа ступеней упрощается аппаратура, но вместе с тем увеличиваются колебания тока при переходе с позиции на позицию, а это приводит к уменьшению использования сцепного веса при пуске и торможении и резким толчкам тягового усилия. Поэтому в каждом конкретном случае стремятся принять решение, удовлетворяющее в необходимой степени обоим требованиям. Каждому соединению двигателей соответствует несколько кривых, характеризующих зависимость скорости движения v от тока / при различных сопротивлениях г. Совокупность таких кривых с указанием перехода с одной кривой (характеристики) на другую при максимальном токе называют пусковой диаграммой.
Для ограничения начального ускорения во время пуска электровоза с низкими скоростями при маневрах, а также для плавного натяжения упряжных приборов при трогании локомотива с составом на первом соединении тяговых двигателей, кроме позиций, полученных из условий пуска с расчетными пределами тока, вводят еще маневровые позиции, при которых пусковое сопротивление больше сопротивления, соответствующего первой пусковой позиции. Число маневровых позиций для электровозов обычно выбирают от четырех до шести.
Первую маневровую позицию рассчитывают по начальному ускорению, равному 0,3—0,5 м/с2 при пуске электровоза без состава на площадке. Для электропоездов с ускорением 0,7—1,0 м/с2 при автоматическом пуске обычно предусматривают одну маневровую позицию, сопротивление которой рассчитывают исходя из начального ускорения 0,5—0,6 м/с2 при v = 0.
При малом пусковом токе переход на первую позицию второго соединения тяговых двигателей может сопровождаться значительным броском тока, для уменьшения которого на втором и последующих соединениях двигателей при ручном пуске добавляют две или три дополнительные реостатные позиции на электро-
возах и одну или две на моторных вагонах аналогично маневровым позициям на первом соединении
Для определения дополнительных ступеней, предшествующих первой позиции второго соединения двигателей, находят скорость, при которой бросок тока при переходе с предыдущей автоматической характеристики на первую реостатную следующего соединения был бы равен разности максимального и минимального пусковых токов.
Источник
Способы регулирования частоты вращения якоря тэд
Применение различных схем соединения тяговых двигателей. Количество применяемых схем соединения обмоток двигателей, а следовательно, и экономических характеристик получается наибольшим при напряжении С/д на зажимах двигателя, равном напряжению £/с, и большом числе т двигателей, включенных в силовую цепь. При напряжении в контактной сети С/с = 3000 В двигатели выполняют с номинальным напряжением на зажимах 1500 и 750 В. Тогда для локомотивов с четырьмя, шестью и восемью двигателями при £/д = 1/2Ис соотношение скоростей движения получается равным ‘/г и 1 ПРИ четырех двигателях, ‘/з> 2/3 и 1 — при шести и ‘/4, ‘/г и 1— при восьми, т. е. в первом случае получают две группировки двигателей и две экономические характеристики, во втором и третьем — по три. При (Уд = = ‘/«^с и четырех двигателях получают одну их группировку — последовательное соединение (электропоезда ЭР22В, ЭР2Т и ЭР2Р) — или две — последовательное и последовательно-параллельное соединения (электропоезд ЭР200), если предусмотрено электрическое соединение тяговых двигателей двух моторных вагонов. Это позволяет снизить массу комплекта тяговой аппаратуры, элементы которой размещают соответственно на двух вагонах. Если на электровозе четырехосные секции могут работать по системе многих единиц (электровоз ВЛ11), тяговые двигатели каждой секции имеют два соединения (рис. 232):
Рис. 232 Схемы соединений обмоток тяговых двигателей а — последовательно и две группы параллельно при 11 л— [/2ис и т = 4, б — последовательно, последовательно-параллельно и параллельно прн I/д = ‘/г^с и т = 6, в — последовательно, последовательно-параллельно н параллельно при 11д = ‘/гс/с и т = 8, г — последовательно-параллельно н параллельно при 1/д= ‘/2ис и т = 4 в секции (электровозы ВЛ11, ЧС200, ЧС6), д — последовательно и последовательно-параллельно при и.= ‘/4ис и т = 4 (электропоезд ЭР200); е — последовательно при £/д= у4Ус и т= 4 (электропоезда ЭР22В и ЭР2Р)
последовательное (четыре двигателя) и последовательно-параллельное (две группы по два последовательно соединенных двигателя). На электровозе ВЛП предусмотрена также возможность последовательного соединения восьми тяговых двигателей при работе электровоза в составе двух секций и последовательное соединение 12 тяговых двигателей при работе в составе трех секций.
Возможно следующее взаимное расположение обмоток якорей и возбуждения тяговых двигателей: обмотки возбуждения включены за их якорями со стороны земли (рнс. 232, а, б, в) обмоткн якорей и возбуждения собраны в группы (рис 232, г), обмотки возбуждения собраны в одну группу и включены между якорями (на вагонах Д метрополитенов)
Чередование обмоток якорей и возбуждения (см. рис. 232, а, б, в) позволяет упростить схему, сократить количество аппаратуры и повысить надежность локомотива. Однако при этом существенно усложняется переход на электрическое торможение, при котором обычно применяют независимое возбуждение (см. § 94). Кроме того, в случае замыкания какой-либо точки цепи на землю (например, точки А) сопротивления двигателей, находящихся между местом к. з. и источником энергии, могут значительно ограничить ток к з., и обычная защита от перегрузки не обеспечит быстрого отключения их, особенно если не предусмотрена дифференциальная защита Исключается также возможность понижения сопротивления изоляции обмоток возбуждения и реверсора по отношению к земле Однако благодаря простоте подобные схемы включения обмоток и якорей получили широкое распространение на э. д с без электрического торможения.
При включении обмоток по схеме рис. 232, в несколько усложняются цепи, увеличивается число контакторов, осуществляющих переход с одного соединения на другое, так как необходимо отдельно переключать обмотки возбуждения и обмотки якорей. Переход же от тяги к электрическому торможению существенно упрощается. Замыкание на землю в пределах якорей приводит к потере возбуждения всеми двигателями, ко-
роткому замыканию и быстрому отключению цепи. Схема рис. 232, в позволяет уменьшить стоимость изоляции обмоток возбуждения двигателей и реверсора по отношению к земле
В большинстве случаев при выборе взаимного расположения обмоток решающее значение имеет простота реверсирования, перехода с одного соединения двигателей на другое и переключения в режим электрического торможения.
Изменение коэффициента возбуждения. Такой способ регулирования частоты вращения якорей применяют для увеличения числа экономических (ходовых) позиций, а при реостатном пуске (вначале) для снижения массы пусковых резисторов Осуществляют его выключением части витков катушек главных полюсов двигателей, шунтированием обмоток возбуждения резистором, импульсным регулированием возбуждения и автоматическим регулированием тока возбуждения на э. п. с. с двигателями независимого возбуждения
Ступени ослабления возбуждения характеризуют отношением м. д. с. Ров при ослабленном возбуждении к м. д. с. ^пв при полном возбуждении для одного и того же тока якоря. Это отношение называют коэффициентом возбуждения р\
Выключение части витков обмотки возбуждения осуществляют контакторами 1 и 2 (рис. 233, а). В этом случае коэффициент возбуждения 6 = ^ов/^пв = ОМ/(ОМ + Ш2).
Если контактор / не отключать, то витки ш2 при ослабленном возбуждении будут замкнуты накоротко контактором
2. Тогда при изменениях тока / (например, в случае колебаний напряжения ис) в витках о>2 как во вторичной обмотке трансформатора станет наводиться
3. д с и возникнет ток М д. с , вызванная этим током, направлена против м. д. с. основного тока возбуждения, что задерживает изменение магнитного потока и, следовательно, изменение э. д с. тяговых двигателей. Чем больше диапазон колебаний напряжения на гяговых двигателях, тем больше отстает скорость изменения их э д. с. от скорости изменения напряжения сети. В наиболее тяжелых случаях, например, при отрыве токопри-
Рис. 233. Схемы регулирования частоты вращения якорей тяговых двигателей изменением коэффициента возбуждения
емника от контактного провода и последующем соприкосновении их указанное явление может привести к такому нарастанию тока в якорях тяговых двигателей, которое вызовет круговой огонь по коллектору. Поэтому цепь витков о>2 необходимо размыкать.
При одной ступени ослабления возбуждения обмотка на каждом полюсе разделена на две катушки, что усложняет конструкцию тягового двигателя. Поэтому такой способ регулирования коэффициента возбуждения не получил распространения. В Советском Союзе его применяли на электросекциях Сд, С», электропоездах А, Б и Г метрополитена
Шунтирование обмотки возбуждения резистором /?ш (рис. 233, б) применяют на всех электровозах и электропоездах. В этом случае коэффициент р = Яш/(/?ов + (здесь /?ов — сопротивление обмотки возбуждения Об; #ш — сопротивление шунтирующей цепи с учетом сопротивления индуктивного шунта ИШ).
При нескольких ступенях ослабления возбуждения шунтирование обмотки ОВ двигателя может быть выполнено по схемам рис. 233, б—г.
В схеме рис. 233, б обычно применяют индивидуальные контакторы 1—5, при этом с дугогашением выполняют только контактор 1. Если предусмотрена буферная защита (см. § 95), то для перехода с ослабленного возбуждения на полное в случае перегрузки достаточно иметь только один контакт реле перегрузки и отключать контактор / независимо от того, на какой ступени ослабления возбуждения работал двигатель. В схеме
рис. 233, в требуется ввести контакты реле перегрузки в цепи катушек вентилей всех индивидуальных контакторов /—5. Эту схему целесообразно применять при групповых контакторах.
В схеме рис. 233, г четыре ступени ослабления возбуждения получают, используя три контактора 1—3. Во избежание разрыва шунтирующей цепи при переходе с 1-й ступени на 2-ю контактор / нужно выключать после включения контактора 2. Если привод контакторов /—3 групповой, то последовательность их включения обеспечивается соответствующей разверткой кулачкового вала. При индивидуальном приводе необходимая последовательность работы контакторов 1, 2 к 3 обеспечивается блок-контактами одного из контакторов, например контактора / (рис. 233, д)
Значения коэффициента 6 выбирают в зависимотси от заданных пределов колебания тока (/тах н- /тш), характеризуемых коэффициентом неравномерности пуска по току кн1
При выборе числа ступеней ослабления возбуждения обычно принимают значения ки! более высокие, чем при расчете реостатных позиций. Коэффициент возбуждения на первой ступени $\ определяется только коэффициентом неравномерности пуска. Для ступени п ослабления возбуждения р\ = рп1
Предельное значение коэффициента возбуждения рм определяется коммутационными свойствами тягового двигателя. Для машин любого напряжения с компенсационной обмоткой р\, > 0,2, без этой обмотки при С/д = 750 В Вм > 0,2, а при иа = 1500 В р\, > 0,3 -г- 0,33.
Источник
§36. Регулирование частоты вращения якоря электродвигателя
Из формулы (65) следует, что частота вращения якоря электродвигателя постоянного тока зависит от падения напряжения Iя?Rя в цепи обмотки якоря, питающего напряжения U и магнитного потока Ф. Поэтому ее можно регулировать тремя способами:
включением реостата с сопротивлением Rп в цепь обмотки якоря;
изменением питающего напряжения U;
изменением магнитного потока Ф.
Рассмотрим более подробно эти способы на примере двигателей с последовательным и параллельным возбуждением.
Включение реостата в цепь обмотки якоря. При включении реостата с сопротивлением Rп в цепь обмотки якоря, кроме естественной механической характеристики 1, получают и ряд реостатных характеристик 2, 3 и 4 (рис. 133). При этом заданному нагрузочному моменту Мвн соответствуют различные значения частоты вращения n1, n2, n3 и n4; чем больше сопротивление Rп тем меньше частота вращения якоря двигателя. Такой способ регулирования весьма прост и позволяет осуществлять плавное регулирование частоты вращения в широком диапазоне. (Однако при этом возникают большие потери энергии в регулирующем реостате, вследствие чего его практически применяют только при кратковременных режимах работы двигателя (например, при пуске). Другим недостатком рассматриваемого способа регулирования является то, что частоту вращения п можно только уменьшать от n1 до нуля.
Изменение питающего напряжения. При изменении питающего напряжения частота вращения п изменяется пропорционально U. Следовательно, подавая на обмотку якоря различные напряжения U1, U2, U3, можно получить семейство механических характе-
Рис. 133. Механические характеристики электродвигателей с последовательным (а) и независимым или параллельным (б) возбуждением при регулировании частоты вращения включением реостата в цепь обмотки якоря
Рис. 134. Механические характеристики электродвигателя с последовательным (а) и независимым (б) возбуждением при регулировании частоты вращения путем изменения питающего напряжения
Рис. 135. Схемы питания электродвигателя с последовательным возбуждением от генератора (а) и выпрямителя (б)
ристик 1, 2 и 3, у которых при любой нагрузке n1:n2:n3 = U1:U2:U3 (рис. 134). При уменьшении питающего напряжения механические характеристики двигателя смещаются в область меньших частот вращения и располагаются параллельно. Для осуществления указанного способа регулирования частоты вращения двигатель должен быть подключен к источнику постоянного тока с регулируемым напряжением: к генератору Т с независимым возбуждением (рис. 135, а) или выпрямителю Вn (рис. 135,б). Питание тяговых двигателей от генератора осуществляется на тепловозах, а от выпрямителя — на электровозах и электропоездах переменного тока. На электровозах и электропоездах выпрямитель подключают к трансформатору, позволяющему изменять напряжение, подаваемое на вход выпрямителя, а следовательно, и его выходное напряжение U. На тепловозах в цепях управления имеется специальная электрическая аппаратура, позволяющая изменять ток возбуждения генератора, т. е. его выходное напряжение U, ручным способом или автоматически.
Несмотря на то, что рассмотренный способ требует довольно сложного оборудования, его широко применяют на современных локомотивах и электропоездах, так как он обеспечивает плавное и экономичное (без потерь энергии в реостатах) регулирование частоты вращения в очень широких пределах. Следует отметить, что для электродвигателей с параллельным возбуждением указанный способ регулирования применять нельзя, так как при уменьшении питающего напряжения соответственно уменьшался бы магнитный поток двигателя и увеличивался ток обмотки якоря. В этом случае двигатель должен быть переведен на независимое возбуждение.
На э. п. с. постоянного тока напряжение, подводимое от контактной сети к электровозу или моторному вагону, не может регулироваться, поэтому здесь для изменения подаваемого к двигателям напряжения применяют последовательно-параллельное переключение тяговых двигателей. При этом изменяется напряжение, приходящееся на каждый двигатель локомотива, и частота вращения.
При регулировании частоты вращения двигателей путем их последовательно-параллельного переключения число возможных схем соединений зависит от числа двигателей, установленных на данном локомотиве. Например, на четырехосных электровозах может быть использовано последовательное соединение тяговых двигателей (рис. 136, а); при этом напряжение, подводимое к двигателю, в 4 раза меньше напряжения U в контактной сети и двигатель имеет некоторую минимальную частоту вращения nmin при заданном моменте Мвн. При соединении двигателей в две параллельные группы (рис. 136, б), в каждую из которых включено по два последовательно соединенных двигателя, напряжение, подводимое к каждому двигателю, будет в 2 раза меньше напряжения U в контактной сети и частота его вращения будет составлять 2nmin. Характеристики двигателей при этом располагаются одна над другой (рис. 136, в).
Последовательно-параллельное переключение тяговых двигателей применяют также на тепловозах. Это позволяет ограничить диапазон регулирования напряжения генератора, от которого зависят его габаритные размеры и масса.
Изменение магнитного потока. Для того чтобы изменить магнитный поток Ф, регулируют ток возбуждения двигателя с помощью
Рис. 136. Схемы соединения тяговых двигателей на четырехосных электровозах или электропоездах (а и б) и механические характеристики двигателей при различных схемах соединения (в): 1 — последовательное соединение; 2— последовательно-параллельное соединение
Рис. 137. Схема включения регулировочного реостата параллельно обмотке возбуждения в двигателе с последовательным возбуждением (а) и механические характеристики (б) при различных сопротивлениях реостата
регулировочного реостата Rрв (рис. 137, а). В двигателях с после-довательньм возбуждением регулировочный реостат включают параллельно обмотке возбуждения, вследствие чего через обмотку возбуждения будет протекать только часть тока якоря (другая часть ответвляется в точке О в реостат Rрв). Обычно регулировочный реостат имеет несколько ступеней с сопротивлениями R1, R2, R3, которые позволяют получать несколько ступеней регулирования тока возбуждения двигателя.
Включение ступеней R1, R2, R3 осуществляется контакторами 1, 2 и 3; при этом механические характеристики двигателя 2 (при включении ступени R1), 3 (при включении R1 и R2 и 4 (при включении R1, R2 и R3) располагаются выше естественной характеристики 1 (рис. 137,б).
Степень регулирования тока возбуждения характеризуется коэффициентом регулирования возбуждения ?, который представляет собой отношение тока возбуждения Iв0 при ослабленном возбуждении (включен регулировочный реостат Rрв) к току возбуждения Iвн при нормальном возбуждении при одном и том же токе в обмотке якоря:
? = Iв0/Iвн = Rвн/(Rв+Rвн)
где Rв — сопротивление обмотки возбуждения.
Рассмотренный способ регулирования прост и экономичен, поэтому его широко применяют на локомотивах и электропоездах. Однако в этом случае регулирование частоты вращения можно осуществлять только в сравнительно небольшом диапазоне. Нижний предел nmin ограничивается насыщением магнитной цепи машины, которое не позволяет увеличивать в значительной степени магнитный поток, верхний предел nmax—условиями устойчивости (при сильном уменьшении Ф двигатель идет вразнос), а также тем, что при глубоком ослаблении возбуждения сильно увеличивается ток якоря Iя, что приводит к возрастанию реактивной э. д. с. и искажающего действия реакции якоря. При этом повышается опасность возникновения искрения на коллекторе и появления кругового огня. По этой причине двигатели, предназначенные для работы в режимах глубокого ослабления возбуждения, обязательно должны иметь компенсационную обмотку и пониженное значение реактивной э. д. с. при номинальном режиме. Обычно предельное значение коэффициента возбуждения ? для двигателей без компенсационной обмотки составляет 0,3—0,33, а при наличии компенсационной обмотки — 0,2.
В двигателях с независимым и параллельным возбуждением регулировочный реостат, посредством которого изменяют ток возбуждения Iв и магнитный поток Ф, включают последовательно с обмоткой возбуждения (см. рис. 125). В этом случае при изменении тока возбуждения частота вращения n0 при холостом ходе будет изменяться, т. е. механическая характеристика 2 при ослабленном возбуждении будет располагаться выше характеристики 1 при нормальном возбуждении (рис. 138). Однако характеристики 1 и 2 при различных значениях Ф не будут параллельны, так как согласно формуле (65) изменяется снижение частоты вращения, обусловленное падением напряжения Iя?Rя в цепи обмотки якоря.
Работа электродвигателя с ослабленным возбуждением при переходных процессах. При включении регулировочного реостата параллельно обмотке возбуждения (см. рис. 137, а) приходится применять специальные меры для сохранения требуемого распределения тока между нею и реостатом при переходных процессах, возникающих в случаях резкого изменения режима работы двигателя, изменения напряжения в контактной сети и пр.
При переходных процессах, когда токи Iя, Iв и Iрв изменяются, в обмотке возбуждения возникает значительная э. д. с. самоиндукции еL. В результате ее действия ток Iв уменьшается по сравнению с его значением при стационарном режиме, а ток Iрв возрастает, т. е. происходит значительно большее ослабление возбуждения. Наиболее опасным переходным процессом для тяговых двигателей, работающих с ослабленным возбуждением, является включение их на полное напряжение после кратковременного отключения от
Рис. 138. Механические характеристики электродвигателя с независимым и параллельным возбуждением при регулировании частоты вращения путем изменения магнитного потока
Рис. 139. Направление электромагнитного момента М при различном направлении тока в обмотке якоря и различной полярности полюсов
Рис. 140. Схемы переключений обмотки электродвигателя с последовательным возбуждением при изменении направления вращения
сети (при отрыве токоприемника от контактного провода). В этом случае из-за большой э. д. с. самоиндукции еL в первый момент после включения почти весь ток Iя пойдет по регулировочному реостату Rрв, а ток Iв в обмотке возбуждения будет мал. Это приведет к значительному возрастанию тока Iя в обмотке якоря из-за уменьшения э. д. с. Е, индуцированной в ней. Практически при этих условиях возникает резкий бросок тока Iя, сопровождающийся нарушением нормальной коммутации (искрением под щетками) и образованием кругового огня. Кроме того, из-за большой скорости изменения тока создаются большие коммутационные перенапряжения, которые могут вызвать пробой изоляции обмоток якоря и возбуждения.
Бросок тока Iя при включении двигателя под напряжение и скорость его изменения зависят от распределения токов Iв и Iрв между обмоткой возбуждения и регулировочным реостатом Rрв. Чтобы обеспечить при переходных процессах такое же распределение токов Iв и Iрв, как и при стационарном режиме, последовательно с реостатом Rрв включают индуктивный шунт ИШ, представляющий собой катушку с ферромагнитным сердечником. Индуктивность этой катушки подбирают так, чтобы отношение индуктивностей обмотки возбуждения и цепи реостата Rрв было приблизительно равно отношению их сопротивлений. При этом условии возникающие при переходных процессах э. д. с. самоиндукции eL в обмотке возбуждения и eL1 в индуктивном шунте не будут влиять на распределение токов Iв и Iрв и возрастание тока Iя будет небольшим.
Изменение направления вращения. Чтобы изменить направление вращения двигателя, необходимо изменить направление электромагнитного момента М, действующего на якорь. Направление момента М определяется правилом левой руки (см. рис. 68,б). Изменить направление М можно двумя способами (рис. 139, а — в): 1) изменением направления тока Iя в обмотке якоря; 2) изменением полярности полюсов, т. е. направления магнитного потока Ф, путем изменения направления тока возбуждения Iв. Для этого переключают провода, подводящие ток к обмотке якоря или к обмотке возбуждения. Например, если при вращении электродвигателя в направлении Вперед ток Iя проходил от щетки А к щетке Б (рис. 140, а), а ток возбуждения Iв — от зажима В1 к зажиму В2, то для перевода двигателя в направление Назад необходимо переключить цепь обмотки якоря так, чтобы ток Iя проходил от щетки Б к щетке А, оставив неизменным направление тока Iв (рис. 140,б), или, оставив неизменным направление тока Iя от А к Б, переключить цепь возбуждения так, чтобы ток Iв проходил от зажима В2 к зажиму В1 (рис. 140, в).
Источник