Влияние напряжения на тяговый двигатель, тяговые характеристики

Изм

Лист

№ документа

Дата

Лист

 

140610.13.589.07.00 ПЗ

 

Подпись

ВВЕДЕНИЕ

Железнодорожный транспорт потребляет около 7 % энергии, производимой электростанциями России. В основном она расходуется  на обеспечение тяги поездов и  питания нетяговых потребителей, к которым относятся станции, депо, мастерские и устройства регулирования движения поездов. Кроме того, к системе электроснабжения железной дороги могут быть подключены расположенные вблизи нее предприятия и небольшие населенные пункты.

На тепловых, гидравлических и атомных  электростанциях вырабатывается трехфазный переменный ток напряжением 6...21 кВ и частотой 50 Гц. Для передачи электрической энергии к потребителям напряжение на трансформаторных подстанциях повышают до 750 кВ в зависимости от протяженности высоковольтных линий электропередачи (ЛЭП). Вблизи мест потребления электроэнергии напряжение понижают до 110... 220 кВ и подают в районные сети, к которым наряду с другими потребителями подключены тяговые подстанции электрифицированных железных дорог и трансформаторные подстанции дорог с тепловозной тягой.

На железных дорогах России используют две системы электроснабжения: постоянного  и однофазного переменного тока. Железнодорожные линии второго  типа снабжают системой однофазного  переменного тока, а на локомотивах  устанавливают специальное оборудование, преобразующее переменный ток в постоянный. Электрический подвижной состав обеспечивают тяговыми двигателями постоянного тока.

 

 

 

 

 

 

 

1 ВЛИЯНИЕ ИЗМЕНЕНИЯ НАПРЯЖЕНИЯ В ТЯГОВЫХ ДВИГАТЕЛЯХ

 

Двигатели, которые могут быть использованы в качестве тяговых на электровозе, должны удовлетворять как минимум двум требованиям. Прежде всего они должны допускать возможность регулирования в широких пределах частоты вращения. Это позволяет изменять скорость движения поезда. Кроме того, необходимо иметь возможность регулировать в широком диапазоне силу тяги, т. е. вращающий момент, развиваемый двигателем. Так, двигатели электровоза должны обеспечивать значительную силу тяги во время трогания поезда, его разгона, при преодолении крутых подъемов и т. п. и снижать ее при более легких условиях движения.

 

Рисунок 1 – Разрез тягового двигателя постоянного тока

 

Изменение напряжения влияет на работу локомотивов как постоянного, так  и однофазного переменного тока. На электровозах переменного тока регулирование  напряжения, подводимого к двигателям, осуществляется изменением коэффициента трансформации трансформатора электровоза, а на электровозах постоянного тока – путем изменения  схемы соединения двигателей (сериесное, сериес-параллельное, параллельное).

Рассмотрим влияние изменения  напряжения на скорость и силу тяги электрического подвижного состава.

Скорость движения локомотива связана  со скоростью вращения вала двигателя. Для тягового двигателя с последовательным возбуждением установившаяся скорость вращения вала, приведенная к ободу колеса, определяется как:

,

 

где U – напряжение на зажимах двигателя;

       I – ток двигателя;

       R – сопротивление  обмоток двигателя;

       с – конструктивная постоянная электровоза;

       Ф – магнитный  поток двигателя.

 

При одной и той же нагрузке I, но различных значениях подведенного к двигателю напряжения отношение  установившихся скоростей равно  отношению электродвижущих сил (так как магнитный поток определяется величиной нагрузки):

 

 

где  , – скорости, соответствующие напряжениям U1 и U2 соответственно.

Учитывая относительно небольшое  падение напряжения в двигателе из-за малого сопротивления его обмоток (например, у двигателя НБ400 при максимальном токе оно составляет 76 В) можно записать:

 

 

Таким образом, установившиеся скорости вращения вала двигателя приблизительно прямо пропорциональны подводимому напряжению.

Сила тяги определяется как:

 

 

где I, Ф – ток и магнитный  поток двигателя соответственно.

Из последнего уравнения видно, что сила тяги не зависит от напряжения на зажимах двигателя.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2 СОПРОТИВЛЕНИЕ В ЦЕПИ ТЯГОВОГО ДВИГАТЕЛЯ

 

 

 В момент пуска якорь  двигателя неподвижен и в обмотке  его не индуктируется э. д. с., уравновешивающая подведенное напряжение. Поэтому в первое мгновение при неподвижном якоре пусковой ток зависит только от значения приложенного напряжения Uc и сопротивления rд обмоток двигателя. Это сопротивление невелико. Так, для тягового двигателя электровоза ВЛ10 оно при температуре 20°С составляет 0,025 + 0,0365 + 0,0317 = 0,0932 Ом (сумма сопротивлений обмоток главных полюсов, дополнительных полюсов, компенсационной обмотки и обмотки якоря). На электровозах постоянного тока всегда, как минимум, соединены последовательно два двигателя. При подключении их к контактной сети, как показано на рис. 3, через их обмотки пойдет ток:

 

,

 

На такой ток, как мы уже знаем, и двигатели и оборудование электровоза  не рассчитаны. Известно, что быстродействующий  выключатель на электровозе ВЛ10 отрегулирован на ток 3100 А и поэтому в момент пуска он разорвет цепь тяговых двигателей.

 

 

Рисунок 2 – Упрощённая силовая цепь электровоза постоянного тока

 

Чтобы ограничить пусковой ток, все  двигатели электровоза перед  пуском соединяют последовательно  и вводят в цепь дополнительно  для ограничения тока пусковой реостат, т. е. резистор, сопротивление которого можно регулировать. В начале пуска  сила тяги должна по возможности увеличиваться  плавно, без толчков, особенно при  трогании тяжелых составов. Поезд не представляет собой жестко связанного целого: сцепные приборы перед троганием не натянуты до предела и всегда обладают некоторой эластичностью. Поэтому сопротивление реостата rр выбирают большим, чтобы обеспечить в момент трогания небольшой ток, а следовательно, и малую силу тяги для плавного натяжения сцепных приборов. Затем сопротивление rр постепенно уменьшают, при этом ток и сила тяги соответственно растут.

Как только сила тяги превысит силу сопротивления  движению, поезд начнет двигаться  с ускорением. Повышая ускорение, снижают время разгона, что особенно важно на участках с короткими  перегонами и частыми остановками. С увеличением скорости движения в тяговых двигателях будет индуктироваться  возрастающая э. д. с. При этом ток двигателей, сила тяги и, как следствие, ускорение начнут уменьшаться. Для обеспечения примерно постоянного ускорения нужно уменьшать сопротивление реостата так, чтобы ток двигателей и касательная сила тяги оставались постоянными. Большие мощности тяговых двигателей и значительные токи затрудняют осуществление плавного регулирования. Поэтому применяют ступенчатое регулирование путем выключения отдельных секций реостата с помощью аппаратов, называемых индивидуальными контакторами. Контакты 1 и 2 индивидуальных контакторов показаны на рис. 2. Если замкнуть контакты 1 контактора, то одна секция пускового реостата будет выведена из цепи тяговых двигателей и напряжение, подводимое к ним, повысится. При замыкании контактов 2 к тяговым двигателям подводится напряжение контактной сети.

Вполне понятно, что для обеспечения  более или менее плавного пуска  и тем самым уменьшения колебания  тока двигателя (силы тяги) следует  сопротивление пускового реостата изменять небольшими ступенями. Однако это вызовет необходимость иметь большое число контакторов и усложнит силовую цепь.

Ступени пускового резистора рассчитывают исходя из наибольшего допустимого  тока тяговых двигателей. Ток, при  котором выключается очередная  секция пускового реостата, определяют исходя из так называемого коэффициента неравномерности пускового тока, который в свою очередь зависит  от заданного ускорения. Таким образом, пусковой ток не постоянен, а колеблется в пределах от максимального Iп mах до минимального Iп min значения. В расчетах применяют среднее арифметическое этих значений Iп.

Кроме рассмотренных ступеней реостата, предусматривают также ступени, на которых пусковой ток меньше максимального. Эти ступени, называемые маневровыми, позволяют постепенно увеличивать  силу тяги и плавно трогать поезд  с места. Число их на электровозах равно четырем - восьми.

Большое число ступеней реостата при  минимальном числе контакторов  можно получить, используя различные  комбинации соединений секций резистора. Так, если замкнуть контактор 1 (рис. 4) при разомкнутых остальных контакторах, секции а, б, в будут включены последовательно (что показано в таблице на рис. 4). Замкнув контакты контактора 2, выключают секцию а, при замкнутых контактах контактора 3 в силовую цепь введена только секция в.

 

Рисунок 3 – Схема пускового резистора и таблица замыкания контакторов

Замкнув контактор 4 и выключив предварительно контакторы 1 и 2, что не связано с  разрывом электрической цепи, присоединяют секции а и б параллельно секции в - получают четвертую ступень пуска. Замкнув контакторы 2, 3, 4, соединяют параллельно секции а и в, образуя еще одну пусковую ступень, и, наконец, замкнув все контакторы, выводят пусковой реостат полностью. Таким образом, имея три секции и четыре индивидуальных контактора, получают шесть ступеней (позиций) пускового реостата.

Для того, чтобы знать, на какой  позиции замкнуты или разомкнуты те или иные контакты контакторов, а следовательно, какие секции реостата включены и каким образом, составляют таблицу замыкания контакторов (см. рис. 4).

Пусковые реостаты собирают из отдельных  элементов и объединяют в ящики (рис. 5). Элементы пусковых резисторов изготовляют из сплавов с большим  электрическим сопротивлением.

 

Рисунок 4 – Ящик пусковых фехралевых изоляторов

 

 

 

 

 

 

 

3 ВОЗБУЖДЕНИЕ ТЯГОВЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ

Обмотки возбуждения могут быть включены параллельно обмотке якоря  и последовательно с ней. Соответственно такие двигатели называют двигателями с параллельным возбуждением и последовательным.

Рассмотрим работу двигателей с  параллельным возбуждением.

При изменении нагрузки (при изменении момента сопротивления) будет изменяться ток только в обмотке якоря, и не будет изменяться в обмотке возбуждения.

Рисунок 5 – Схема двигателя с параллельным возбуждением

;     ;    ;    ;

Вращающийся момент зависит только от тока нагрузки и характеристика будет иметь вид прямой линии.

         

Рисунок 6 – Электромеханические характеристики двигателя с параллельным возбуждением

; U =Const,  С _E = Const,  Ф = Const

При увеличении нагрузки частота вращения якоря будет уменьшаться только из-за увеличения падения напряжения в обмотке якоря. Но, т.к. сопротивление  обмотки якоря мало, то и падение  напряжения в обмотке якоря мало и составляет примерно 4 % от номинального напряжения при номинальном токе. Характеристика будет иметь вид прямой линии с малым наклоном и называется жесткой (когда при изменении одной величины в широких пределах другая величина изменяется незначительно).

При уменьшении нагрузки частота вращения якоря увеличивается, противо Э.Д.С. возрастает и при какой-то n0  величина наводимой в обмотке якоря Э.Д.С. сравнивается с приложенным напряжением.

  При дальнейшем разгоне Э.Д.С.  становится выше приложенного  напряжения, ток по обмотке якоря  пойдет в другом направлении  уже под действием Э.Д.С. –  двигатель автоматически перешел  в генераторный режим.

Электромеханические характеристики для двигателя с независимым  возбудителем, имеют внешний вид, подобный электромеханическим характеристикам  двигателя с параллельным возбуждением из-за Ф = Const.

Рассмотрим работу двигателя с  последовательным возбуждением.

Ток нагрузки равен току якоря и  току возбуждения. При изменении  нагрузки будет изменяться ток в  обмотке якоря и одновременно в обмотке возбуждения, а, значит, будет изменяться и магнитный  поток в соответствии с кривой намагничивания.

Рисунок 7 – Схема двигателя с последовательным возбуждением

  ;  ;  ,

Вращающий момент зависит от тока в квадрате и характеристика будет иметь вид параболы. Так происходит до магнитного насыщения полюсов. При дальнейшем увеличении нагрузки магнитный поток будет оставаться неизменным, вращающий момент будет зависеть только от тока и характеристика переходит в прямую линию.

 

Рисунок 8 – Электромеханические характеристики двигателя с последовательным возбуждением

При увеличении нагрузки частота вращения якоря будет уменьшаться из-за увеличения падения напряжения в обмотках двигателя и, в большей степени, из-за увеличения магнитного потока, что вызывает резкое понижение частоты вращения якоря. По мере роста тока нагрузки замедляется рост магнитного потока, а затем наступает магнитное насыщение полюсов (см. выше кривую намагничивания). При дальнейшем увеличении нагрузки магнитный поток остается постоянным, частота вращения якоря понижается только из-за увеличения падения напряжения в обмотках двигателя. Характеристика переходит в прямую линию. Скоростная электромеханическая характеристика мягкая.