[05-1999] Ускоренная коммутация и схемы соединения двигателей

[poster444]

Ускоренная коммутация и схемы соединения двигателей

Эксплуатация электровозов ВЛ85 и ВЛ65 показала, что бывают отказы при входе в режим рекуперативного торможения с исправной схемой и оборудованием. Случаи переброса электрической дуги по коллектору (кругового огня) часто также не обусловлены отказом оборудования или неправильными действиями машиниста.
На электровозе ВЛ85 по два, а на ВЛ65 по три тяговых двигателя подключены параллельно к общему сглаживающему реактору и преобразователю. Схемы аналогичны, но на электровозе ВЛ65 установлены дополнительно разделительные диоды в цепях двигателей.

На электровозе ВЛ65 после сборки схемы рекуперации (до включения тока возбуждения) амперметр на пульте управления или отдельные амперметры в кузове иногда показывают наличие значительного (до 200 — 300 А) контурного тока в цепях тяговых двигателей, подсоединенных попарно параллельно к преобразователям. Включение возбуждения увеличивает этот ток до еще больших значений, препятствуя входу в рекуперацию.

Небольшой, менее указанного, ток в цепи невозбужденного двигателя возникает от остаточного намагничивания магнитной цепи двигателя, а более значительный — из-за смещения электрощеток с нейтрали, расхождения характеристик или появления коммутационной э.д.с. Рассмотрим это более подробно.

Напомним, что коммутация — процесс изменения направления э.д.с. и тока в витках обмотки якоря при переходе проводников обмотки через нейтраль под магнитный поток полюса другой полярности. Она осуществляется с помощью электрощеток, расположенных на коллекторе по нейтрали. Коммутацию считают нормальной (или прямолинейной), если момент прохождения тока через нуль совпадает с геометрической нейтралью и центром щетки. При ускоренной коммутации зона прохождения тока смещается вперед от нейтрали, т.е. против направления вращения якоря, а при замедленной — назад.

Это приводит к соответствующему смещению от поперечного направления вектора намагничивающей силы (н.с.) реакции якоря и появлению у нее продольной составляющей, нескомпенсированной компенсационной обмоткой. В режиме генератора при ускоренной коммутации реакция якоря подмагничивает (при замедленной — размагничивает) полюса возбуждения. В режиме двигателя процесс обратный.

Проектируя тяговые электромашины, стремятся обеспечить ускоренную коммутацию, когда смена направления тока в витке обмотки завершается до его выхода из-под щетки. Подобное уменьшает искрение под сбегающим краем щеток. Но значительная перекомпенсация реакции якоря намагничивающей силой компенсационной обмотки и добавочных полюсов, полезная в режиме двигателя, оказывает и негативное влияние на работу двигателей в генераторном режиме.
Отрицательное влияние смещения от нейтрали вектора н.с. реакции якоря против направления вращения, в частности, из- за ускоренной коммутации или смещения щеток состоит в том, что в генераторном режиме главные полюса возбуждения дополнительно подмагничиваются продольной составляющей реакции якоря. От этого магнитного потока возникает э.д.с. и при небольшом резисторе в цепи генератора нарастает значительный ток даже при отключенной обмотке возбуждения.

Такой режим приводит к отказам, например, при входе электровоза в режим рекуперативного торможения. На локомотивах переменного тока с рекуперативным торможением ВЛ80Р, ВЛ85, ВЛ65 есть проблемы с появлением большого тока в цепи контура из параллельно соединенных тяговых двигателей. Причины были выявлены при стендовых проверках двигателей НБ-418К6, НБ-514, НБ-520 и испытаниях электровозов на Экспериментальном кольце ВНИИЖТа в 1990— 1998 гг.

Опыты на стенде проводили на не имеющих возбуждения двигателях, замкнутых накоротко на глухое к.з. или на малое сопротивление 0,012 и 0,15 Ом. Начальное подмагничивание создавали током до 1000 А, затем обмотку возбуждения размыкали. Равномерно увеличивая, а затем уменьшая частоту вращения, получали петли с ветвями нарастания и снижения э.д.с. и тока якоря (рис. 1 — 3).

Опыты проводили при смещении щеток с нейтрали от +5 до—20 мм при измерении по диаметру зубцов траверсы (смещение по коллектору в 0,68 раза меньше, знак ” принят для смещения щеток против вращения якоря). Процесс рассматривали как установившийся, хотя даже в случае сохранения постоянной частоты вращения ток мог возрастать. Он достигал максимума обычно уже при уменьшении скорости, а его величина зависела от времени прохождения тока и степени нагрева обмоток и щеток двигателя.

Рост сопротивления обмоток двигателя и резисторов при нагреве лишь частично обуславливает повышение напряжения на якоре при неизменном токе. Э.д.с. генератора возрастает в основном из-за увеличения магнитного потока главных полюсов (сФ = Е/п). Поток увеличивается не только от заданного в опытах смещения щеток с нейтрали, но и также от коммутационной реакции якоря и, что важно отметить, нагрева щеток, особенно неравномерного по площади контакта у набегающего и сбегающего краев щеток.

Гистерезисная петля на рис. 1 обусловлена нагревом: нижняя граница заштрихованной области — холодные двигатель и щетки (начало опыта), верхняя —сильно нагреты (температура обмотки добавочного полюса с ростом тока достигала 180 — 200 °С, затем с его уменьшением существенно понижалась, максимальная температура щетки была 140 °С, коллектора — 90 °С; принудительной вентиляции нет, продолжительность опыта —10 — 15 мин. Сопротивление графитовых щеток при нагреве уменьшается, и процесс коммутации утяжеляется).

Смещение кривых от нагрева эквивалентно дополнительному смещению щеток на коллекторе на 6 — 8 мм (см. рис. 3). Это смещение вектора намагничивающих сил реакции якоря значительно, но реально возможно при толщине разрезных щеток 25 мм (12,5 +12,5).

Последнее означает, что если при входе электровоза в рекуперацию щетки и обмотки двигателя сильно нагреты, то с ростом тока э.д.с. двигателя может дополнительно кратковременно возрастать, изменяя наклон внешней характеристики. Это затруднит работу электровоза в рекуперации, вызвав неконтролируемое нарастание тока и срабатывание защиты.

Необходимо отметить, что при смене направления вращения, перекосе или плохой притирке щеток возможна работа с касанием коллектора только набегающим краем щетки. Подобное сместит вектор н.с. реакции якоря от нейтрали в худшем случае на половину толщины щетки — 12,5 мм. Небольшое смещение в эксплуатации имеется всегда, так как для полного перепритирания щеток после смены направления движения электровоза требуется пробег в несколько сотен километров (иногда до 600 — 800 км).

Опыты на электровозе ВЛ85 N9 099 показали, что достаточно небольшого движения локомотива назад (не более 100 — 200 м), чтобы возникли небольшое смещение и перепритирание щеток, появилось подмагничивание полюсов с нарастанием тока в цепях двигателей, иногда до срабатывания защиты. Эффект от перепритирки сохранялся достаточно долго — несколько километров движения “вперед”.
При испытании восьмиосных электровозов ВЛ85 № 099, 001,061 и шестиосных локомотивов ВЛ65 № 016, 021 было установлено следующее.

Контурный ток в цепи соединенных параллельно, не имеющих возбуждения, тяговых двигателей возникает от э.д.с., обусловленной остаточным намагничиванием полюсов двигателей. В генераторном режиме работы он развивается до больших значений от самовозбуждения машины коммутационной реакцией якоря.

После включения тока возбуждения и входа электровоза в рекуперативное торможение контурный ток сохраняется и приводит к разной нагрузке параллельно работающих двигателей. Разница в нагрузке дополнительно увеличивается при возможном расхождении скоростных характеристик двигателей, допустимом по ГОСТ 2582—81 при высокой скорости (отклонение ±7 %), и возможном смещении щеток нейтрали. Смещение щеток на 1/г зубца траверсы, т.е. на 1 — 2 коллекторных деления (4 — 8 мм) при осмотрах электровозов регистрируется часто. Есть случаи и более значительного смещения траверсы на 1 — 1,5 зубца.
Нагрев щеток приводит к смещению центра прохождения тока по щеткам на величину, эквивалентную дополнительному их смещению по коллектору вперед, как указано выше, на 6 — 8 мм.

Э.д.с. от остаточного намагничивания, по данным опытов на стенде, при максимальной частоте вращения 2040 об/мин у двигателей НБ-514 не превосходила 28 В, двигателей НБ-418К6 — 24 В, НБ-520 — 25 В. Такое значение э.д.с. в худшем случае — при согласном ее направлении у пары двигателей (один двигатель перемагничен на противоположную полярность) — может создать в их цепи при наличии балластных резисторов сравнительно небольшой контурный ток —до 150 —170 А, не затрудняющий вход в рекуперацию.

Максимальное расчетное значение н.с. от коммутационной реакции якоря при предельно ускоренной коммутации (касание коллектора только набегающим краем щетки) определяют из известной зависимости н.с. коммутационной реакции якоря для некомпенсированных электромашин: FaK = 1/2'Da/DK b Aa, где Аа = 2Fa/T.
Приняв для машин с компенсационной обмоткой вместо Fa значение FK = Fa + FK0 + Бдп, получим FaK = b/'C-Da/DK-FK. Здесь FK —нескомпенсированная часть н.с. реакции якоря, компенсационной обмотки и добавочных полюсов, Da, DK—диаметры якоря и коллектора, Т — полюсное деление.

Значение FK в зоне коммутации при расчете двигателей с учетом рассеяния магнитного потока принимают обычно не более 0,25 Fa. Наклон кривой намагничивания Е/П(1в) в ненасыщенной зоне пропорционален воздушному зазору, но с учетом разного числа витков Wrn обмоток возбуждения для указанных двигателей может быть приближенно принят Е/п = 0,0021в или 0,002FB/Wrn. Допуская одинаковое воздействие по продольной оси двигателя FB и FaK, имеем э.д.с. Е/п = 0,002FaK/Wrn или Е = 46-10-6 -n-la.

Вводя численные значения, получим, что при максимальной частоте вращения 2040 об/мин и токе якоря 1000 А э.д.с. всех рассмотренных двигателей примерно одинаковая — 93 — 94 В.

Опытное значение э.д.с., полученное на стенде при указанных условиях и подтвержденное в поездках на Экспериментальном кольце, составило: двигатель НБ-514 — до 160 В (стенд) и 150 В (электровоз), НБ-418К6— 110 В (стенд) и 80 В (электровоз), НБ-520— 135 В (стенд).

Значительное расхождение с расчетом, особенно у НБ-514, обусловлено, прежде всего, искажением формы магнитной индукции в воздушном зазоре в режиме к.з. двигателя и неточностью в принятом значении FK. Это более вероятно при смещении нейтрали к границе зоны действия добавочного полюса. Известно, что двигатель НБ-514 перекомпенсирован сильнее и имеет большее искажение формы поля, чем НБ-418К6.

В испытаниях на стенде площадь притирки щеток составляла около 35 %, т.е. опытное значение э.д.с. могло быть еще выше, если бы контакт с коллектором был у края щетки.

Максимальный контурный ток в поездках на электровозах ВЛ85 со скоростью около 100 км/ч в некоторых опытах достигал 1000 А при двигателях НБ-514 и до 225 А с двигателями НБ-418К6. С уменьшением балластного резистора с 0,146 до 0,1 Ом на электровозе ВЛ85 № 061 (двигатели НБ-514) контурный ток увеличился и превысил 1500 А.

Вход в рекуперацию на электровозе ВЛ85 с двигателями НБ-514 часто не происходил или был затруднен из-за большого контурного тока при скоростях выше 70 км/ч. На двигателях НБ-418К6 (электровоз ВЛ85 № 001) таких затруднений •не было.

После испытаний нового двигателя НБ-520 на стенде и локомотиве ВЛ65 № 016 с опорно-рамным подвешиванием двигателей дополнительно установили следующее:
- на стенде, когда в цепи был балластный резистор 0,15 Ом (как на электровозе), ток к.з. у невозбужденного двигателя не превышал 170 А при положении щеток на нейтрали и максимально допустимой частоте вращения 2040 об/мин. Он достигал 260 А— при смещении траверсы вперед на 10 и 20 мм. Такой ток не препятствует успешному входу в рекуперацию электровоза, имеющего разделительные диоды;
- при внезапном глухом к.з. или замыкании на малое сопротивление 0,012 Ом (сопротивление соединительных кабелей к выключателю защиты) ток к.з. возрастал до срабатывания защиты до 2 — 2,5 кА и до 3,3 кА, когда защиты не было. Э.д.с. генератора достигала 35 —150 В при токе якоря 1000 А, частоте вращения 1000 об/мин и смещении траверсы соответственно до 20 мм; при постепенном нарастании тока с увеличением частоты вращения защита срабатывала при 1400 А;
- от остаточного намагничивания э.д.с. не превышала 12 В при 1000 об/мин, и ток не мог быть более 350 даже при указанном малом сопротивлении и холодных обмотках двигателя (при наличии балластного резистора —не более 70 А).

Нa шестиосном локомотиве ВЛ65 и новом аналогичном по конструкции электровозе ЭП1 применена схема с питанием от общего сглаживающего реактора и преобразователя трех параллельно соединенных тяговых двигателей вместо двух на ВЛ85. Это увеличило вероятность возникновения больших значений контурного тока от коммутационной э.д.с.

Чтобы обеспечить уверенный вход 8 рекуперацию, с учетом исследований на электровозах, дополнительно установили в цепь каждого двигателя разделительные диоды, исключившие протекание контурного тока по параллельно соединенным двигателям сразу после сборки схемы. Однако диоды не устранили разницу в нагрузках двигателей после входа в рекуперацию (от воздействия коммутационной э.д.с., расхождения характеристик, смещения щеток и т.д.). Кроме того, ухудшилась работа двигателей в переходных режимах.

Отключение в режиме рекуперации главного воздушного выключателя машинистом или из-за нарастания тока, сбои в работе преобразователя, обычное колебание тока нагрузки электровоза приводят к отключению быстродействующих выключателей в цепях двигателей. Flo ток прерывается в цепях неодновременно. Протекающий по реактору общий ток трех двигателей, после отключения двух первых, переходит в цепь третьего двигателя. Его амплитуда может достигать суммы токов в цепях в момент отключения выключателей. При выключателях ВВ-021, прерывающих ток 2 — 3 кА (при уставке 2 кА) это составит 6 — 9 кА.

В опытных поездках на электровозах ВЛ65 № 016 и № 021 зарегистрировано значение тока двигателя 6,2 кА на скорости 72 км/ч при отключении ГВ и 6,1 кА — при опрокидывании инвертора на скорости 88 км/ч. Причем, опрокидывание происходило в момент перехода сетевого напряжения через нуль, а не в максимуме, что может быть в эксплуатации, т.е. нарастание тока было только от э.д.с. двигателя без добавления напряжения сети. Ток нагрузки двигателей до переходного процесса был 700 —900 А, т.е. режим был ниже предельно допустимого и возможного в эксплуатации. Длительность тока в максимуме была невелика, около 5 мс, но произошло небольшое подплавление коллектора электрической дугой.

Отметим, что на электровозах ВЛ85 и ВЛ80Р с двумя подключенными к реактору двигателями максимальный ток будет на 1/з меньше, что снижает вероятность переброса дуги по коллектору. Fla основе перечисленного следует пересмотреть схему с подключением трех двигателей к общему реактору, перейдя, например, на индивидуальные реакторы или улучшить токовую защиту двигателей. Дополнительное разделение плеч преобразователей или применение индивидуальных преобразователей полностью решает проблему, в том числе с возникновением генераторного контурного тока и тока от коммутационной э.д.с. Разделительные диоды в таком случае не нужны.

Тяговые двигатели, рассчитанные на работу в генераторном режиме, должны иметь лишь умеренно ускоренную коммутацию. Значительная перекомпенсация, как было, например, на двигателях НБ-514 первого выпуска, недопустима. Известно, что она также сильно искажает форму магнитного поля главных полюсов и значительно увеличивает межламельные напряжения на коллекторе.

На электровозах с затрудненным входом в рекуперацию необходимо, кроме проверки работы аппаратуры управления и защиты, контролировать точность установки траверсы на тяговых двигателях, качество щеток и величину сопротивления балластных резисторов. Когда можно, непосредственно перед рекуперацией, желательно избегать большой нагрузки с перегревом щеток двигателей.

Канд. техн. наук В.А. СЕНАТОРОВ,
ВНИИЖТ

[СЦБот]

Эта тема была перенесена из раздела Журнал "Локомотив".

Перенес: Admin