Admin

Последовательно-независимое возбуждение тяговых двигателей электровозов постоянного тока

На путях промышленных предприятий в случае больших эксплуатационных расстояний и достаточно больших объемов перевозок возникает необходимость включать в составы магистральные локомотивы. Применение для этого электровозов постоянного тока сопровождается неполным использованием их мощности. Как можно повысить в этом случае коэффициент отдачи локомотива, рассмотрим на примере эксплуатации электровозов в ОАО «Апатит». Участки здесь имеют уклоны до 30 %о и кривые малого радиуса, в том числе расположенные на уклонах. В верхнем строении пути уложены рельсы типа Р65 на деревянных шпалах и щебеночном балласте. По разным причинам скорость движения составляет не более 40 км/ч, а на отдельных участках — не более 25 км/ч. Рудовозные поезда состоят из 25 думпкаров 2ВС105. Вес порожнего состава равен 1250 т, а груженого — 3875 т. Перевозки осуществляют магистральные электровозы серий ВЛ10(У) и ВЛ15А.

Электровозы ВЛ15А были выпущены ТЭВЗ по заказу комбината «Апатит». Серия насчитывает 6 локомотивов. Отличия от используемых на магистралях электровозов ВЛ15 состоят в отсутствии оборудования, необходимого для рекуперации (по заказу комбината, ввиду особенностей местных условий эксплуатации). Также у локомотива понижен верхний габарит для возможности следования в тоннелях.

Устойчивая эксплуатация магистральных электровозов на определенных участках требует использования кратной тяги или подталкивающих локомотивов, что вызывает дополнительные затраты на перевозочный процесс, а также увеличивает нагрузку на систему электроснабжения.

Для повышения эффективности использования тяговых свойств электровозов в условиях ограниченной скорости движения необходима разработка специальных мер, поскольку это сопровождается изменяющимся в широких пределах коэффициенте сцепления и разгрузках колесных пар, достигающих 25 — 30 % продолжительностью 0,02 — 0,03 с, создающих дополнительные предпосылки для возникновения бок-сования. Одной из них является увеличение жесткости тяговых характеристик электровоза.

Наилучший способ увеличения жесткости тяговой характеристики — применение независимого возбуждения двигателей. Коэффициент жесткости тяговой характеристики при независимом возбуждении практически одинаков для всех значений силы тяги и составляет примерно 700 кгс/(км/ч). При последовательном возбуждении коэффициент жесткости возрастает с увеличением насыщения магнитной системы машины, так как при этом зависимость интенсивности изменения основного магнитного потока от тока возбуждения уменьшается. Поэтому в зоне малых токов якоря необходимо увеличить ток возбуждения до значения, соответствующего току насыщения.

Этого можно достичь за счет дополнительной подпитки обмоток возбуждения от электромашинного или статического преобразователя. В данном случае будет применено последовательно-независимое возбуждение тяговых двигателей (рис. 1).

Возможно также использование последовательно-независимого возбуждения на восьмиосном электровозе при последовательно-параллельном и параллельном соединениях двигателей.

Сопротивление четырех последовательно соединенных обмоток главных полюсов тягового двигателя ТЛ-2К1 при температуре 20 °С составляет приблизительно 0,1 Ом, а номинальное напряжение генератора преобразователя НБ-436В — 38 В. В связи с этим дополнительная подпитка обмоток возбуждения возможна лишь при токах якоря менее 380 А. Одновременно мощность преобразователя позволяет питать четыре обмотки возбуждения. Расширение диапазона регулирования скорости при последовательно-независимом возбуждении возможно за счет последовательного соединения обоих преобразователей электровоза, но затруднено отсутствием свободного межсекционного соединения.

Недостатком приведенных на рис. 1 схем является обязательное наличие преобразователя. Кроме того, усложняется управление электровозом из-за необходимости постоянного регулирования тока возбуждения.

Для решения данной проблемы автором статьи совместно со специалистами железнодорожного цеха ОАО «Апатит» был разработан способ подпитки обмоток возбуждения тяговых двигателей, не требующий преобразователя. На рис. 2 приведена упрощенная схема силовой цепи электровоза.


Подпитка обмоток возбуждения в этом случае осуществляется током якорей. Модернизированная схема допускает эксплуатацию электровоза не только с использованием последовательно-независимого возбуждения при последова-тельно-параллельном (СП) и параллельном (П) соединениях тяговых двигателей, но и в штатном режиме. Последовательно-независимое возбуждение при СП-соединении тяговых двигателей отличается от штатной схемы соединением секций между собой и выполняется изменением алгоритма работы групповых переключателей.

СП-соединение двигателей достигается при замкнутом контакте СП, а П-соединение — при замкнутом контакте П. Таким образом, СП-соединение двигателей выполняется при последовательном соединении обеих секций, что приводит к изменению способа соединения секций пусковых резисторов между собой и, следовательно, их общего сопротивления. В результате происходит изменение характеристик реостатных позиций СП-соединения. Значения величины пусковых резисторов при штатной схеме включения в цепь (ПШт.) и ПРИ отличном от нее (RCn). а также ступени их вывода для всех реостатных позиций контроллера машиниста (КМ) электровоза ВЛ10У приведены в таблице.

Как видно из таблицы, изменение величины сопротивления пусковых резисторов отличается от штатной схемы незначительно и распределяется по позициям достаточно равномерно, причем происходит уменьшение их общего числа на одну позицию.

Используя разную степень возбуждения на каждой позиции, можно получить более широкие возможности для регулирования силы тяги и быстрее выйти на безреостатную характеристику. Однако ступенчатое уменьшение тока возбуждения приводит к резкому увеличению тока якоря, аналогично режиму ослабления возбуждения. При значении тока якоря, близком к ограничению по сцеплению, это может стать причиной срыва сцепления.

Если алгоритм работы переключателей оставить неизменным, то СП-соединение будет соответствовать штатной схеме (за исключением перегруппированных обмоток возбуждения).

Данный способ соединения обмоток тяговых двигателей двух пировки двигателей и дополнительной коммутационной аппаратурой для перегруппировки обмоток возбуждения. Кроме этого, были внесены незначительные изменения в цепи управления.

Перевод двигателей на последовательно-независимое возбуждение осуществляется нажатием кнопки при нахождении главной рукоятки контроллера машиниста на нулевой позиции. Обратный переход к работе схемы в штатном режиме происходит автоматически после каждого выключения контроллера.

Эксплуатационные испытания электровоза проводились на путях ОАО «Апатит» в зимнее время при следовании с поездами установленной весовой нормы 3900 т и резервом. Участок, на котором проводились испытания, характеризуется крутыми подъемами величиной до 20 %о, скоростные подъемы отсутствуют. Максимальная скорость не превышает 40 км/ч.


Для регистрации величин токов и напряжений во время всех опытных поездок использовался следующий комплект оборудования: три датчика тока типа LT500S, два датчика напряжения LV100, дополнительные сопротивления к датчикам напряжения, портативный персональный компьютер с шиной расширения PCIMCA, плата ввода-вывода DAQCard-2600 с соединительным кабелем и внешней клеммной платой фирмы «National Instruments», набор измерительных резисторов.

При следовании электровоза по затяжным подъемам происходили частые срывы сцепления колесных пар. Однако боксование не переходило в разносное и легко устранялось подачей песка или переходом на реостатные позиции. Отмечались случаи прекращения боксования без каких-либо дополнительных действий со стороны машиниста сразу после выхода на чистые рельсы.


На рис. 3 приведены две осциллограммы токов двигателей в момент срыва сцепления колесных пар обеих тележек секции электровоза при параллельном соединении двигателей, снятые во время одной поездки, на которых зафиксирован вывод пусковых резисторов из цепи якорей при коэффициенте регулирования возбуждения 1,3. Из представленных осциллограмм следует, что боксование не переходит в разносное и быстро прекращается. Длительность боксования не превышает 3 с.

Во время всех поездок применялась вторая ступень регулирования возбуждения с коэффициентом 1,3. Максимальное значение тока якоря в основном не превышало 550 А, и электровоз устойчиво вел поезд с установившейся скоростью около 40 км/ч.

Таким образом, режим последовательно-независимого возбуждения двигателей за счет увеличенного магнитного потока вызывает возрастание противо-э.д.с. и уменьшение тока якоря. В результате падает расчетная скорость движения электровоза и растет его сила тяги, так как насыщение магнитной системы тягового двигателя ТЛ-2К1 происходит при значении тока возбуждения более 700 А.

Увеличение силы тяги было определено расчетным путем ввиду невозможности непосредственного ее измерения на автосцепке, а также косвенно оценено по массе состава поезда. Расчетом установлено, что при часовом токе якоря 410 А и коэффициенте регулирования возбуждения 1,68 возможно максимальное увеличение силы тяги двигателя на 15 — 17 % от значения, развиваемого при работе с последовательным возбуждением.

Необходимо отметить, что на участке, где проводились испытания опытного электровоза, с поездами данной весовой нормы могут эксплуатироваться без подталкивающего локомотива или кратной тяги лишь электровозы ВЛ15А.

В результате испытаний подтверждено увеличение силы тяги при существенном улучшении противобоксовочных свойств опытного электровоза. Как видно из приведенных на рис. 3 осциллограмм, расхождение токов якорей смежных групп тяговых двигателей не превышало 40 А. Нагрев обмотки возбуждения не превышал предельно допустимого уровня для данного класса изоляции.

На рис. 4 и 5 представлены скоростные и тяговые характеристики опытного электровоза. Цифрами 1 — 4 обозначены характеристики одного соединения двигателей, но с разным коэффициентом регулирования возбуждения: 1,68; 1,3; 1,05 и 0,8 соответственно.

Ограничение силы тяги по сцеплению рассчитано и построено в соответствии с правилами тяговых расчетов для поездной работы. Кроме ограничения по сцеплению при последовательно-независимом возбуждении возникает необходимость определения ограничения по максимальному току возбуждения. Для двигателя ТЛ-2К1 максимальный ток возбуждения определяется током насыщения и принят на уровне 700 А.


Суммируя все сказанное, можно заключить следующее. Применение последовательно-независимого возбуждения двигателей током якорей позволяет увеличить жесткость тяговых характеристик электровоза. Это дает возможность увеличивать на 15 — 17 % силу тяги и улучшать противобоксо-вочные свойства электровоза, а, следовательно, и повышение весовой нормы поезда, что подтверждено опытными поездками. Исходя из этого факта, уменьшается время разгона поезда и достигается экономия электроэнергии.

Наряду с этим, разность токов двух смежных параллельных ветвей при часовом токе якоря 480 А не превышает 7 — 8 %. Меньший ток подпитки снижает эту разность, что связано с уменьшением жесткости характеристики.

И, наконец, управление электровозом происходит обычным порядком и допускает оперативные переключения режимов возбуждения.

Инж. В.А. БАРАНОВ,
г. Санкт-Петербург

__________________
Телеграм-канал ЖЕЛЕЗНОДОРОЖНИК

Если у вас возникли вопросы по работе сайте - пишите на почту admin@scbist.com

СЦБот

Эта тема была перенесена из раздела Журнал "Локомотив".

Перенес: Admin