Независимое возбуждение тяговых двигателей

Как устроен и работает электровоз, тяговый подвижной состав

г. С аратов

Независимое возбуждение тяговых двигателей

В главе 3 было отмечено, что мягкой характеристикой обладают коллекторные двигатели постоянного тока с последовательным возбуждением. Поэтому их в подавляющем большинстве случаев используют на электровозах постоянного и переменного тока. Однако локомотивы с такими двигателями, в особенности электровозы постоянного тока, как уже было отмечено, склонны к бок-сованию. Боксование возникает чаще всего, когда все шесть или восемь тяговых двигателей соединены последовательно. Объясняется это следующим.

В процессе движения электровоза с составом не исключена возможность того, что по каким-либо причинам уменьшится нагрузка на колесную пару или колеса будут катиться по загрязненной поверхности рельсов. В обоих случаях сила сцепления колес с рельсами уменьшится. Вследствие мягкой характеристики тягового двигателя даже небольшое проскальзывание колесной пары вызовет незначительное снижение силы тяги и интенсивное увеличение частоты ее вращения (см. рис. 11, б). Это в свою очередь значительно снижает коэффициент трения колеса о рельс и тяговые двигатели вместе с колесной парой переходят в режим разносного боксования. В таком режиме частота вращения двигателя может превысить максимальную, гарантированную заводом, что может привести к возникновению кругового огня на коллекторе, нарушению геометрической формы коллектора, разрыву бандажей якоря и износу колес и рельсов.

Одновременно ухудшаются условия работы остальных тяговых двигателей, электрически связанных с двигателем боксующей колесной пары. Как уже отмечалось, при последовательном соединении двигателей, например, восьми-осного электровоза с выключенным пусковым реостатом на каждый двигатель приходится ‘/8 напряжения контактной сети, или 375 В. Возникшее боксование нарушит равномерное распределение напряжения. Допустим, что частота вращения якоря возросла в 2 раза; соответственно примерно в 2 раза возрастет э. д. с. боксующего двигателя и напряжение, приходящееся на него, станет равным примерно 750 В, а на остальных семи понизится до 320 В. Кроме того, снизится ток в цепи всех тяговых двигателей. В результате снижения напряжения у семи двигателей и тока в цепи всех двигателей уменьшится скорость движения поезда и сила тяги электровоза, т. е. нарушится нормальный процесс движения.

При восстановлении прежних условий сцепления (увеличится нагрузка на колесную пару, электровоз минует загрязненный участок рельсов) может не прекратиться начавшееся боксование, так как мал коэффициент трения при развившейся большой скорости у оси с боксующим двигателем. Чтобы прекратить боксование, машинист должен применить песок или уменьшить силу тяги электровоза, например, сняв ослабление возбуждения двигателя либо включив секции пускового реостата. Эти действия связаны с потерями силы тяги, скорости, дополнительным расходом электроэнергии и задержкой поезда. Происходящее при последовательном соединении тяговых двигателей перераспределение напряжений приводит к работе боксующего двигателя на более высокой характеристике. (Вспомним, что частота вращения двигателя прямо пропорциональна подводимому напряжению (см. с. 29) Это приводит к снижению вероятности восстановления сцепления без участия машиниста.

Значительно увеличивается вероятность автоматического восстановления сцепления после его срыва, если тяговый двигатель имеет жесткую характеристику (см. рис. 11, а). В этом случае даже небольшое увеличение частоты вращения якоря двигателя у колесной пары, начавшей боксовать, вызывает резкое снижение силы тяги, и скорость проскальзывания колес возрастает незначительно. Как только восстановятся нарушенные по каким-либо причинам условия сцепления, боксование колесной пары прекратится без вмешательства машиниста. Жестким характеристикам свойственно еще одно немаловажное преимущество. Уже отмечалось, что электровоз имеет семейство тяговых характеристик (так, для электровоза ВЛ10 их число равно 15, см. рис. 42). При независимом возбуждении можно получить большее число их в пределах, допустимых по сцеплению, току и скорости движения, плавно изменяя ток возбуждения с помощью полупроводниковых преобразователей. Примерно то же можно обеспечить при смешанном возбуждении двигателей (последовательное и независимое), изменяя соотношение токов, независимого и последовательного возбуждения.

На электровозах постоянного тока возникают затруднения с применением независимого возбуждения. Это связано со сложностью структуры полупроводниковых преобразователей, так как для независимого питания обмоток возбуждения тяговых двигателей необходимо сначала преобразовать постоянный ток в переменный, затем понизить напряжение, выпрямить его и регулировать напряжение с помощью тиристоров.

Кроме того, при резком изменении напряжения в контактной сети (это возможно в эксплуатации) могут возникнуть большие броски тока в обмотках возбуждения и якоря, а значит, и резкие изменения силы тяги со всеми вытекающими отсюда последствиями. Для ограничения бросков тока необходимо устанавливать специальные устройства.

Более благоприятны условия для использования преимуществ независимого возбуждения на электровозах переменного тока. Независимое возбуждение тяговых двигателей в режимах электрического торможения как реостатного, так и рекуперативного применено на электровозах ВЛ80Т, ВЛ80С,
ВЛ80Р (см. рис. 67). В режиме тяги резкие колебания напряжения в контактной сети переменного тока в достаточной степени сглаживаются индуктивностью обмоток тяговых трансформаторов, реакторов и дросселей, поэтому дополнительных сглаживающих устройств не требуется.

Тяговые двигатели переменного тока всегда соединены параллельно, и поэтому исключаются неприятности, вызываемые боксованием одной или тем более нескольких колесных пар, обусловленные их последовательным соединением. Однако и при параллельно соединенных тяговых двигателях может возникнуть боксование какой-либо колесной пары. В этом случае ток соответствующего двигателя уменьшается, так как возрастает э. д. с. в обмотке якоря. В связи с этим повышается напряжение на выпрямительной установке и на всех остальных тяговых двигателях, ток их несколько возрастает, а следовательно, возрастает и сила тяги. В результате компенсируется потеря силы тяги колесной пары, у которой нарушено сцепление.

В случае независимого возбуждения уменьшается скольжение боксующей пары (по сравнению со скольжением при последовательном возбуждении), т. е. меньше потеря силы тяги, более интенсивно увеличивается напряжение, а следовательно, ток и сила тяги небоксующих колесных пар. Благодаря этому общая сила тяги электровоза снижается значительно меньше, чем при последовательном возбуждении двигателей.

для железнодорожного транспорта, сертифицированные ВНИИЖТ- «Фаворит К» и «Фаворит Щ», внутренняя и наружная замывка вагонов.

Источник

Выбор системы возбуждения тяговых электрических двигателей на тепловозах

Рубрика: 7. Машиностроение

Опубликовано в

Дата публикации: 03.11.2017

Статья просмотрена: 727 раз

Библиографическое описание:

Литвинов, А. В. Выбор системы возбуждения тяговых электрических двигателей на тепловозах / А. В. Литвинов, Д. И. Попов, Д. Е. Родина. — Текст : непосредственный // Технические науки в России и за рубежом : материалы VII Междунар. науч. конф. (г. Москва, ноябрь 2017 г.). — Москва : Буки-Веди, 2017. — С. 89-93. — URL: https://moluch.ru/conf/tech/archive/286/12959/ (дата обращения: 12.03.2021).

В связи с интенсивным развитием силовой преобразовательной электронной техники и микропроцессорных систем управления стала возможной разработка новых видов тягового электропривода, обеспечивающих высокие технико-экономические показатели подвижного состава, автоматическое управление режимами их работы, а также снижение затрат в эксплуатации. Как известно, тяговый электропривод может быть бесколлекторного или коллекторного типа. Про достоинства и недостатки указанных типов тягового электропривода известно достаточно много и, как отмечается во многих источниках, будущее стоит за бесколлекторным типом. Однако на сети железных дорог большая часть локомотивного парка имеет в своем составе именно коллекторные тяговые двигатели, обеспечивающие требуемые характеристики. При этом, если рассматривать локомотивы с коллекторными тяговыми двигателями, практически все они выполнены с последовательным возбуждением, исключение, к примеру, составляют электровозы 2ЭС6.

Если рассматривать тепловозный парк, то все локомотивы с коллекторными тяговыми двигателями работают по системе последовательного возбуждения. В статье приведены результаты расчетов при различных алгоритмах системы возбуждения тяговых двигателей локомотивов, которые подчеркивают возможные преимущества в случае применения системы независимого возбуждения или комбинирования системы независимого и последовательного возбуждения в тепловозной тяге.

При независимом возбуждении регулирование магнитного потока позволяет получить оптимальные характеристики тягового электродвигателя. Поэтому применение тяговых двигателей независимого возбуждения служит одним из путей дальнейшего улучшения тяговых характеристик тепловоза и технико-экономических показателей электропередачи. Однако в этом случае тепловоз необходимо оборудовать более сложной системой регулирования тока возбуждения тяговых электродвигателей.

Для обоснования эффективности применения системы независимого возбуждения на магистральных тепловозах выполним расчет тяговых характеристик на примере тепловоза 2ТЭ116. Тяговые характеристики тепловоза 2ТЭ116 с коллекторными тяговыми двигателями последовательного возбуждения приведены на рисунке 1. Как видно из данного рисунка, характеристики на каждой позиции регулирования «мягкие», т. е. с увеличением скорости движения снижается сила тяги.

Рис. 1. Тяговые характеристики тепловоза 2ТЭ116

При использовании независимого возбуждения тяговых двигателей ток возбуждения изменяется по закону:

где — уставка тока возбуждения, А;

k — коэффициент компаундирования обратной связи по току якоря;

— ток якоря ТЭД, А.

При этом необходимо задаться ограничениями по максимальному току возбуждения, минимальному и максимальному ослаблению возбуждения. Для тепловоза 2ТЭ116 — это ток возбуждения I_В ≤ 800 А, минимальный коэффициент ослабления возбуждения β_min = 0,36.

Выполним расчет следующих вариантов работы системы возбуждения тяговых электродвигателей на анализируемом тепловозе 2ТЭ116.

Первый вариант характеризуется тем, что система управления поддерживает ток возбуждения постоянным за счет изменения коэффициента компаундирования k при постоянном значении уставки тока возбуждения [1, 2]. Ток якоря будет принимать значения от 50 до 720 А. Значение уставки тока возбуждения примем равным 50 А. Расчет будет проводиться для значений тока возбуждения от 100 до 800 А для параллельного соединения тяговых двигателей. Коэффициент компаундирования рассчитывается по формуле:

Для дальнейших расчетов потребуются значения кривой намагничивания двигателей (рисунок 2):

где U_д — напряжение, приложенное к ТЭД, В;

r_д = 0,082 Ом — сопротивление обмоток ТЭД типа ЭД-125;

I — ток двигателя, А;

V — скорость тепловоза, км/ч.

Рис. 2. Кривая намагничивания ТЭД типа ЭД125

Результаты расчета тяговых характеристик при работе системы независимого возбуждения с поддержанием постоянным тока возбуждения приведены на рисунке 3.

Рис. 3. Тяговые характеристики ТЭД на зонах ослабления возбуждения, при I_в = const на параллельном соединении ТЭД: 1 — Iв = 800 А; 2 — Iв = 650 А; 3 — Iв = 500 А; 4 — Iв = 300 А; 5 — Iв = 150 А

Во втором варианте система управления поддерживает постоянным значение коэффициента компаундирования k, при этом ток возбуждения при постоянном значении уставки равен:

Результаты расчета тяговых характеристик при работе системы независимого возбуждения с поддержанием постоянным коэффициента компаундирования приведены на рисунке 4.

Рис. 4. Тяговые характеристики ТЭД на зонах ослабления возбуждения при k = const: 1 — k = 1; 2 — k = 1,25; 3 — k = 1,5; 4 — k = 1,75; 5 — k = 2; 6 — k = 2,25; 7 — k = 2,5

В третьем варианте система управления поддерживает постоянной скорость тепловоза, при этом ток возбуждения при постоянном значении уставки выбираем из графика кривой намагничивания в зависимости от магнитной постоянной с_vФ.

По результатам расчетов можно сделать следующие выводы:

‒ применение независимого возбуждения, за счет реализации различных алгоритмов регулирования тока возбуждения, позволяет получить любые тяговые характеристики;

‒ наибольшую эффективность независимое возбуждение для тепловоза 2ТЭ116 имеет для скоростей свыше 35 км/ч, при этом достигаются высокие показатели силы тяги, широкий диапазон регулирования скорости движения. До 35 км/ч рекомендуется использование последовательного возбуждения тяговых двигателей, что позволит обеспечить высокий пусковой момент, силу тяги и необходимую скорость набора позиций;

‒ работа системы независимого возбуждения может быть использована для имитации последовательного возбуждения тяговых электродвигателей за счет поддержания постоянным коэффициента компаундирования.

Рис. 5. График зависимости тока якоря от тока возбуждения: 1 — V = 20 км/ч; 2 — V = 32 км/ч; 3 — V = 40 км/ч; 4 — V = 46 км/ч; 5 — V = 60 км/ч; 6 — V = 80 км/ч; 7 — V = 100 км/ч.

Похожие статьи

Модернизация схемы испытания тяговых двигателей.

Выбор системы возбуждения тяговых электрических двигателей. При использовании независимого возбуждения тяговых двигателей ток возбуждения

rд = 0,082 Ом — сопротивление обмоток ТЭД типа ЭД-125; I — ток двигателя, А; V — скорость тепловоза, км/ч.

Математическое моделирование процесса испытаний двигателей.

Наиболее распространенной схемой для испытаний тяговых двигателей постоянного тока последовательного возбуждения является схема, представленная на рисунке (рисунок 1). Схема работает следующим образом.

Моделирование параметров системы автоматического.

Выбор системы возбуждения тяговых электрических двигателей. При использовании независимого возбуждения тяговых двигателей ток возбуждения изменяется по закону: где — уставка тока возбуждения, А; k — коэффициент компаундирования обратной связи по.

К вопросу о совершенствовании технологии ремонта тяговых.

Работа тягового электродвигателя (ТЭД) при значительных перепадах

5. Овчаренко С. М. Повышение эффективности системы диагностирования тепловозов / С.М. Овчаренко

. влияющие на работу тягового привода, в том числе и на тяговый электродвигатель.

О некоторых особенностях уравнений А. В. Гапонова для.

Модернизированная схема испытаний асинхронных тяговых.

Наиболее распространенной схемой для испытаний тяговых двигателей постоянного тока последовательного возбуждения является схема, представленная на рисунке (рисунок 1). Схема работает следующим образом.

Оценка эффективности применения универсального стенда для.

‒ первая часть — схема для испытаний тяговых двигателей постоянного тока (рисунок 1)

где — часовой ток, кА; — сопротивление обмотки якоря, Ом; — коэффициент ослабления возбуждения

Перспектива применения электродвигателей в автомобилях

Тяговый асинхронный электродвигатель для мотор-колёс. Следует отметить, что по способу управления автомобиль с мотор-колёсами не

Галимов Н. С., Иванов В. А., Фатыхов К. З. Автоматическое управление включением обмотки возбуждения генератора переменного тока.

Способ прогрева тепловозов от внешнего источника.

Сущность рассматриваемого способа прогрева заключается в том, что при подаче электроэнергии на тяговый генератор прогреваемого дизеля, обеспечения системы возбуждения и отключения топливных насосов высокого давления (ТНВД).

Источник

Независимое возбуждение тяговых двигателей

В главе 3 было отмечено, что мягкой характеристикой обладают коллекторные двигатели постоянного тока. Поэтому их в подавляющем большинстве случаев используют на электровозах постоянного и переменного тока. Сказанное относится и к тепловозам с электрической передачей. Однако локомотивы с такими двигателями и, в особенности, электровозы постоянного тока, как уже было отмечено выше, склонны к боксованию, причем боксование возникает чаще всего, когда все шесть или восемь тяговых двигателей соединены последовательно. Объясняется это следующим.

В процессе движения электровоза с составом не исключена возможность того, что по каким-либо причинам уменьшится нагрузка на колесную пару от веса электровоза или колеса будут катиться по загрязненной поверхности рельсов. В обоих случаях физический коэффициент сцепления уменьшится. Если сила тяги, реализуемая колесной парой, превысит уменьшившуюся силу сцепления, колесная пара начнет проскальзывать относительно рельсов, т. е. начнется процесс боксования. Вследствие мягкой характеристики тягового двигателя даже небольшое проскальзывание колесной пары вызовет незначительное снижение силы тяги и интенсивное увеличение частоты ее вращения (см. рис. 12, б). Это в свою очередь значительно снижает физический коэффициент сцепления и тяговые двигатели вместе с колесной парой переходят в режим «разносного» боксования. В таком режиме частота вращения двигателя может превысить максимальную, гарантированную заводом, что может привести к возникновению кругового огня на коллекторе, нарушению его геометрической формы, разрыву бандажей якоря, повышенному износу бандажей колес и рельсов.

Последующее восстановление прежних условий сцепления (увеличится нагрузка на колесную пару, электровоз минует загрязненный участок рельсов) не прекратит начавшегося боксования, так как мал физический коэффициент сцепления при большой скорости боксования. Чтобы прекратить боксование, машинист должен уменьшить силу тяги электровоза, например, переключив двигатели на нормальное возбуждение, либо включив секции пускового реостата. Все эти действия связаны с потерями силы тяги, скорости, дополнительным расходом электроэнергии и задержкой следования поезда.

Значительно увеличивается вероятность автоматического сцепления после его срыва, если тяговый двигатель имеет жесткую характеристику (см. рис. 12, а). В этом случае даже небольшое увеличение частоты вращения якоря двигателя у колесной пары, начавшей боксовать, вызывает резкое снижение силы тяги, и скорость проскальзывания колес почти не возрастает. Как только восстановятся нарушенные по каким-либо причинам условия сцепления, боксование колесной пары прекратится.

Использование жестких характеристик имеет еще одно немаловажное преимущество. Выше уже было отмечено, что электровоз имеет семейство тяговых характеристик (так, для электровоза ВЛ10 их число равно 15, см. рис. 41). Применив независимое возбуждение, можно получить большее число зависимостей силы тяги от скорости в пределах, допустимых по сцеплению, току и скорости движения, плавно изменяя силу тока возбуждения с помощью полупроводниковых преобразователей. Примерно то же можно обеспечить при смешанном возбуждении двигателей (последовательное и независимое), изменяя соотношение токов независимого и последовательного возбуждения.

Применение независимого или смешанного возбуждения на электровозах постоянного тока связано с рядом трудностей. Прежде всего необходим специальный преобразователь для питания обмоток независимого возбуждения. Применить вращающийся преобразователь невозможно, так как он должен иметь большую мощность, а значит, и большие габариты. Использовать установленные на электровозе генераторы, предназначенные для рекуперативного торможения, нельзя, так как их мощность недостаточна. Целесообразно применять полупроводниковые преобразователи. Но на электровозах постоянного тока они пока получаются очень сложными, так как необходимо сначала преобразовать постоянный ток в переменный, затем понизить напряжение, выпрямить его и регулировать напряжение, подводимое к обмоткам возбуждения тяговых двигателей, с помощью тиристоров.

Кроме того, как уже отмечалось, напряжение в контактной сети может резко изменяться, что будет вызывать большие броски тока в обмотках возбуждения, а значит, и резкие изменения силы тяги со всеми вытекающими отсюда неприятными последствиями. Для ограничения бросков тока необходимо устанавливать специальные устройства.

Однако, несмотря на эти трудности, Новочеркасский электровозостроительный завод создал опытные электровозы ВЛ12 с независимым возбуждением двигателей в тяговом и рекуперативном режимах и автоматическим регулированием сил тяги и торможения. Каждые две обмотки возбуждения двух тяговых двигателей, включенных постоянно последовательно, питаются от статического преобразователя, преобразующего постоянное напряжение контактной сети в переменное частотой 200 Гц, и управляемого выпрямителя, с помощью которого плавно регулируется ток в обмотках возбуждения, а следовательно, силы тяги и электрического торможения. Это позволило в режимах тяги и рекуперативного торможения использовать только два соединения тяговых двигателей: последовательное включение четырех двигателей одной секции и параллельное включение двух ветвей по две машины последовательно в каждой. Переход с одного соединения на другое происходит по мостовой схеме.

Более благоприятные условия для использования преимуществ независимого возбуждения сложились на электровозах переменного тока. На этих электровозах преобразователь ПНВ напряжения, подводимого к обмоткам независимого возбуждения (рис. 70), питается от секции вторичной обмотки тягового трансформатора. Он выполнен по схеме двухполупериодного выпрямления с нулевым выводом (см. рис. 62, а).

Рис. 70. Упрощенная схема силовой цепи шестиосного электровоза с независимым возбуждением

Двигатели электровоза могут работать с последовательным возбуждением и с независимым (см. рис. 70). Переключение обмоток с последовательного возбуждения на независимое и наоборот осуществляется двухпозиционными переключателями ПВ1 и ПВ2.

Для уменьшения пульсаций тока, проходящего через обмотки независимого возбуждения, к ним постоянно подключены параллельно резисторы Р, как и при последовательном возбуждении.

На электровозах переменного тока резкие колебания напряжения в контактной сети в достаточной степени сглаживаются благодаря индуктивности обмоток тяговых трансформаторов, реакторов, дросселей и дополнительных устройств для этого не требуется.

Тяговые двигатели переменного тока всегда соединены параллельно и поэтому исключаются неприятности, вызываемые боксованием одной или тем более нескольких колесных пар, обусловленные их последовательным соединением. Однако и при параллельно соединенных тяговых двигателях может возникнуть боксование какой-либо колесной пары. В этом случае ток двигателя боксующей колесной пары уменьшается вследствие возрастания в обмотке якоря э. д. с. В связи с этим повышается напряжение на выпрямительной установке и на всех остальных тяговых двигателях, поэтому ток их несколько возрастает, а следовательно, возрастает и сила тяги. В результате компенсируется потеря силы тяги колесной пары, у которой нарушено сцепление.

При независимом возбуждении снижается скольжение боксующей колесной пары (по сравнению с последовательным возбуждением) и тем самым обеспечивается меньшая потеря силы тяги, более интенсивное увеличение напряжения, а следовательно, тока и силы тяги небоксующих колесных пар. Благодаря этому общая сила тяги электровоза снижается в значительно меньшей степени, чем при последовательном возбуждении двигателей.

В соответствии с описанной схемой, предложенной работниками Восточно-Сибирской железной дороги, было переоборудовано несколько сотен шестиосных электровозов ВЛ60 К на этой магистрали и затем на Одесско-Кишиневской дороге.

Опыт эксплуатации модернизированных электровозов ВЛ60 К показал, что для максимального использования мощности тяговых двигателей целесообразно сочетать оба способа возбуждения: последовательное при относительно небольших нагрузках, используя положительные свойства мягкой характеристики, и независимое при реализации силы тяги, близкой к ограничению по сцеплению, если этому не препятствует ограничение по нагреванию обмоток двигателей. Применение независимого возбуждения позволило, например, на Одесско-Кишиневской дороге увеличить массу поезда на 400 т.

Однако при независимом возбуждении наблюдается повышенная неравномерность нагрузок тяговых двигателей. В настоящее время проводятся исследования различных схем, устраняющих это.

Источник