Режимы и характеристики работы тяговых электрических двигателей электровозов

Силовые цепи электровозов постоянного и переменного тока (рис.6.1) включают в себя, в общем случае, следующие элементы [3]: токоприемники Т; аппараты защиты (быстродействующий БВ и глав­ный ГВ выключатели); пуско-регулирующую аппаратуру (сопротивле­ния R, контакторы K₁-K₃, тяговый трансформатор ТТ); тяговые элек­трические двигатели 1-2 с обмотками возбуждения ОВ.

Рис. 6.1. Схемы силовых цепей электровозов

а) электровоз постоянного тока б) электровоз переменного тока

Напряжение,приложенное к силовой цепи от контактной сети, не­изменно и составляет 3 кВ для электровозов постоянного тока и 25 кВ для электровозов переменного тока. Непосредственно на двигатели по­ступает напряжение U_Д, величину которого можно изменять с помощью пуско-регулирующей аппаратуры.

Будемсчитать, что тяговый двигатель ТЭД прификсированном со­стоянии контакторов К₁-К₃ работает при постоянном напряжении U_Д, то есть по естественным характеристикам. Тогда, как следует из уравнений (4.6) и (4.7), величина тока ТЭД I_Д будет плавно изменяться в зависимости от частоты вращения его якоря n_Д:

I_Д = (U_Д - E_Д) / R_Д = (U_Д - С_е Ф_Д n_Д) / R_Д, А. (6.1)

При этом с увеличением n_Д сила тока I_Д уменьшается и наоборот.

Частота вращения якоря ТЭД n_Д прямо пропорциональна скорости движения локомотива. Поэтому ток I_Д, момент на валу ТЭД М_Э=С_М Ф_Д I_Д и пропорциональная ему сила тяги F_КД, создаваемая двигателем, будут уменьшаться с ростом скорости локомотива V.

Зависимости I_Д=f(V) и F_КД=f(V) называют токовой и тяговой ха­рактеристиками ТЭД. Форма этих характеристик для двигателей с по­следовательным возбуждением, работающих при постоянном напряже­нии U_Д, показана на рис.6.2.

Рис.6.2. Естественные характеристики ТЭД с последовательным возбуждением а) токовая, б) тяговая

Из рис.6.2,б видно, что характер зависимости F_КД=f(V) отвечает ос­новным требованиям локомотивной тяги:

> сила тяги F_КД, создаваемая двигателем, увеличивается при снижении скорости движения локомотива V и плавно уменьшается по мере ее роста; это обеспечивает преодоление поездом тяжелых подъемов, а также дает возможность разгонять поезд на ровных участках пути и

преодолевать затем подъемы за счет увеличенной кинетической

энергии;

> наибольшие значения силы тяги F_КД двигатель создает при скорости

локомотива, близкой к нулю, что соответствует условиям трогания и

разгона поезда.

Поэтому именно двигатели постоянного тока с последовательным возбуждением нашли широкое применение в качестве тяговых электро­двигателей локомотивов.

Несмотря на то, что момент М_Э, и сила тяги F_КДдвигателя ав­томатически изменяются в зависимости от скорости V (по естественной характеристике ТЭД), машинисту необходимо регулировать величину силы тяги ТЭД F_КД для управления локомотивом и движением поезда. Формула (6.1) показывает, что уровень тока ТЭД I_Д, а следовательно момента М_Э и силы тяги F_КД при прочих равных условиях определяется величиной напряжения U_Д, подведенного к ТЭД. Поэтому управление силой тяги ТЭД осуществляют регулированием напряжения U_Д.

Для изменения напряжения ТЭД на электровозах постоянного тока используют перегруппировку или переключение соединения ТЭД [3] (на рис.6.1,а условно показаны два ТЭД, которые с помощью контак­торов К₁-К₃ могут быть соединены последовательно или параллельно). Перегруппировка позволяет получить на каждом двигателе три значе­ния напряжения U_Д при отключенных реостатах R (таблица 6.1). Дан­ные значения напряжения U_Д соответствуют работе электровоза на хо­довых позициях контроллера машиниста - специального устройства для управлением локомотивом. Эти позиции обозначают буквами "С", "СП" и "П".

Таблица 6.1.

Зависимость напряжения на тяговых двигателях электровоза

от схемы их соединения

Графики зависимостей силы тока I_Д и силы тяги F_КД ТЭД от скоро­сти V при изменении схемы соединения ТЭД приведены на рис.6.3

Рис.6.3. Зависимость характеристик двигателей от схемы соединения

а) токовые, б) тяговые

Из формулы (4.1) следует, что при резком увеличении напряжения U_Д в силовой цени ТЭД возникают броски тока I_Д. Для ограничения си­лы тока в подобных режимах, которые имеют место при пуске или пе­регруппировке ТЭД, на электровозах используют пуско-регули-ровочные реостаты R (рис.6.1,а). Прохождение тока по сопротивлениям R сопровождается их нагревом и потерями электроэнергии. Поэтому долговременная работа электровоза с включенными сопротивлениями, на так называемых реостатных позициях контроллера машиниста, не допускается. Безреостатные позиции "С", "СП" и "П" используют как ходовые, время работы на которых не ограничивается.

Трех ходовых позиций для обеспечения экономной работы локо­мотива явно недостаточно. Поэтому для расширения регулировочных возможностей электровоза и увеличения числа его ходовых позиций используют ослабление возбуждения ТЭД.

Ослаблением возбуждения называют уменьшение магнитного по­тока двигателя Ф_д за счет снижения тока возбуждения I_В по отношению к току якоря I_Д. Степень изменения магнитного потока ТЭД оценивают коэффициентом ослабления возбуждения

α = I_В / I_Д (6.2)

Ослабление возбуждения осуществляют включением в силовую цепь электровоза сопротивления R_ш (рис.6.4). Индекс "ш" указывает на то, что сопротивление подключается параллельно обмотке возбуждения ОВ, то есть шунтирует ее.

При шунтировании обмотки возбуждения ТЭД ток в якоре I_Д воз­растет (согласно формуле (6.1) I_Д =(U_Д-С_еФ_Дn_Д)/R_д) вследствие умень­шения магнитного потока Ф_д и суммарного сопротивления R_Д. Причем ток I_Д увеличится до такого значения, при котором магнитный поток Ф_Д восстановится практически до прежнего уровня. Поэтому фактически увеличение силы тока I_Д и силы тяги F_КД ТЭД осуществляется не снижением магнитного потока, а уменьшением суммарного сопротивления якорной цепи R_Д [3].

Рис.6.4. Схема ослабления возбуждения тягового электродвигателя

На отечественных электровозах постоянного тока применяют от двух до четырех ступеней ослабленного возбуждения. Ослабление воз­буждения машинист может использовать при последовательном, после­довательно-параллельном и параллельном соединениях ТЭД. Таким об­разом, если применяются две ступени ослабления возбуждения ОП₁ - ОП₂, то тяговый двигатель имеет 9 ходовых позиций регулирования си­лы тяги F_КД, (рис.6,5).

Рис.6.5. Характеристики тягового двигателя электровоза постоянного тока находовых позициях контроллера машиниста

а) токовые, б) тяговые

На электровозах переменного тока регулирование силы тяги F_КД ТЭД осуществляют как и на электровозах постоянного тока - измене­нием напряжения па двигателе U_Д. За счет наличия тягового транс­форматора ТТ и контакторов, которые на рис.6.1,6 условно обозначены K₁ - K₃, здесь имеется возможность получить большое число ступеней

регулирования напряжения U_Д. Поэтому необходимость использования пусковых сопротивлений и перегруппировки ТЭД отпадает.

Отечественные электровозы переменного тока имеют по 33 пози­ции регулирования напряжения, девять из которых считаются ходовы­ми (на этих позициях электровоз работает с более высоким к.п.д.). По­скольку пусковые сопротивления в цепи двигателей отсутствуют, в принципе длительная работа ТЭД допускается на всех позициях [6].

Кроме позиций регулирования напряжения на электровозах пере­менного тока предусмотрены также позиции ослабленного возбуждения (обычно три ступени шунтирования обмотки возбуждения на 33-й по­зиции контроллера машиниста).

Таким образом, особенности работы ТЭД на электровозах заклю­чаются в следующем:

1. на ходовых позициях контроллера машиниста ТЭД работает при по­стоянном (или близком к нему) напряжении по естественной харак­теристике (рис.6.2); при этом с увеличением скорости локомотива V мощность двигателя Р_Д=U_ДI_Д снижается вследствие уменьшения тока якоря;

2. регулирование силы тяги F_КД ТЭД осуществляется машинистом за счет изменения напряжения и_д и степени ослабления магнитного потока Ф_д;

3. при повышении напряжения на двигателе либо ослаблении его воз­буждения мощность ТЭД Р_Д=U_ДI_Д увеличивается.

На тепловозах, оборудованных собственным источником энергии для движения (дизелем), тяговые электродвигатели работают в другом режиме по иным характеристикам.