[10-2022] Регулирование частоты вращения тяговых двигателей на постоянном токе: перегруппировка

[Admin]

Регулирование частоты вращения тяговых двигателей на постоянном токе: перегруппировка

И.А. ЕРМИШКИН, инженер, г. Ожерелье

На электроподвижном составе количество применяемых схем соединения обмоток тяговых двигателей, а, следовательно, и экономических характеристик, получается наибольшим при напряжении 11д на зажимах двигателя, равном напряжению в контактной сети Uc, и большом числе двигателей, включенных в силовую цепь. При напряжении в контактной сети Uc = 3000 В двигатели изготавливают с номинальным напряжением на зажимах 1500 и 750 В.
Тогда для локомотивов с четырьмя, шестью и восемью двигателями с номинальным напряжением 1500 В возможны две группировки двигателей и экономические характеристики, а во втором и третьем случаях — три. При напряжении 750 В и четырех двигателях получают одну их группировку — последовательное соединение (электропоезда ЭД4М). На электровозах ВЛ11, ВЛ11М при работе в составе трех секций предусмотрена также возможность последовательного соединения всех 12 тяговых двигателей.
Возможно следующее взаимное расположение обмоток якорей и возбуждения тяговых двигателей: обмотки возбуждения включены за их якорями со стороны «земли»; обмотки якорей и возбуждения собраны в группы; обмотки возбуждения собраны в одну группу и включены между якорями (последний вариант применялся на вагонах метрополитена типа Д).

Чередование обмоток якорей и возбуждения позволяет упростить схему, сократить количество аппаратуры и повысить надежность локомотива. Однако при этом существенно усложняется переход на электрическое торможение, при котором обычно применяют независимое возбуждение. Кроме того, в случае замыкания какой-либо точки цепи на «землю» сопротивления двигателей, находящихся между местом короткого замыкания (КЗ) и источником энергии, могут значительно ограничить ток КЗ, и обычная защита от перегрузки не обеспечит быстрого их отключения, особенно если не предусмотрена дифференциальная защита. Исключается также возможность понижения сопротивления изоляции обмоток возбуждения и реверсора по отношению к «земле». Однако благодаря простоте подобные схемы включения обмоток и якорей получили широкое распространение на ЭПС без электрического торможения.
В большинстве случаев при выборе взаимного расположения обмоток решающее значение имеет простота реверсирования, перехода с одного соединения двигателей на другое и переключения в режим электрического торможения.

На магистральных электровозах для переходов с одного соединения тяговых двигателей на другое применяют:

• > метод короткого замыкания части тяговых двигателей;
• > метод шунтирования части тяговых двигателей резисторами;
• > схему мостового перехода;
• > «вентильный» переход с запирающими диодами.

При переходе коротким замыканием в обмотках якорей закороченных двигателей за счет остаточного магнетизма появляется генераторный ток, который имеет направление, обратное току тягового режима. В результате возникает тормозной момент. Поэтому способ перехода коротким замыканием части тяговых двигателей на современных магистральных электровозах из-за появления значительного генераторного тока не применяют.

На электровозах ВЛ10, ВЛ10У переход с последовательного на последовательнопараллельное соединение осуществляют замыканием части тяговых двигателей на группу пусковых резисторов. Такой переход осуществляется в пять этапов. На последовательном соединении все тяговые двигатели соединены в одну последовательную цепь (рис. 1 ,а).
На первой переходной позиции для ограничения броска тока в цепь тяговых двигателей вводятся пусковые резисторы первой секции электровоза и часть резисторов второй секции электровоза (рис. 1,6).
На второй переходной позиции осуществляется закорачивание тяговых двигателей V, VI и VII, VIII второй секции электровоза и соединенных с ними последовательно секций пусковых резисторов контакторным элементом 33-0 группового переключателя (рис. 1,в).

Тяговые двигатели первой секции электровоза остаются в работе, и ток через их обмотки замыкается на «землю» через элемент 33-0, минуя обмотки тяговых двигателей второй секции электровоза. В цепи тяговых двигателей второй секции электровоза генераторный ток, а, следовательно, и тормозной момент уменьшаются вводом секций пусковых резисторов.
На третьей переходной позиции цепь тяговых двигателей V — VIII отсоединяется от цепи тяговых двигателей первой секции электровоза контакторным элементом группового переключателя 32-0 (рис. 1,г).
На четвертой переходной позиции в цепь тяговых двигателей V — VIII вводится часть секций пусковых резисторов для предотвращения резкого увеличения силы тяги на 1-й позиции последовательно-параллельного соединения, когда они вступят в работу (рис. 1 ,д).
К концу перехода, т.е. на пятой переходной позиции, отключенные тяговые двигатели V — VIII подключаются контакторами 30-0 и 31-0 к контактной сети. Поскольку вместе с ними подключаются пусковые резисторы, то бросок тока будет ограничен. Тяговые двигатели образуют две самостоятельные цепи (рис. 1 ,е).
Шунтирование части тяговых двигателей переходными резисторами применяют на электровозах ВЛ 10, ВЛ10У (рис. 2) и ЧС2Т при переходе с последовательно-параллельного соединения на параллельное.
В силовой схеме на ходовой позиции последовательно-параллельного соединения все пусковые резисторы выведены из цепи тяговых двигателей (рис. 2,а).
При вращении вала группового переключателя на первой переходной позиции в цепь тяговых двигателей вводится часть пусковых резисторов (рис. 2,6).

На второй переходной позиции выключением контакторных элементов ПКГ 22-1 и 22-2 групповых переключателей подготавливаются отдельные группы резисторов для параллельного соединения двигателей (рис. 2,в).
На третьей переходной позиции тяговые двигатели I, II и V, VI после включения контакторных элементов 23-1 и 23-2 шунтируются переходными резисторами (рис. 2,г). При этом через зашунтированные тяговые двигатели может идти часть тока из контактной сети, если противо-ЭДС в зашунтированных тяговых двигателях невелика (при малой частоте вращения тяговых двигателей).
Большая часть тока будет идти через переходные резисторы и через тяговые двигатели III, IV, VII, VIII. Зашунтированные тяговые двигатели в этом случае будут развивать некоторую силу тяги. При значительной скорости движения, когда частота вращения тяговых двигателей велика, в зашунтированных тяговых двигателях I, II и V, VI наводится значительная противо-ЭДС. В этом случае в их цепях появится генераторный ток, который будет создавать небольшой тормозной момент. Однако протекание этого тока быстро прекращается, так как их магнитная система быстро размагничивается.

На четвертой переходной позиции тяговые двигатели I, II и V, VI отключаются контакторными элементами 25-1 и 25-2 (рис. 2,д).
На пятой переходной позиции тяговые двигатели I, II и V, VI подключаются контакторами 26-1,27-1 и 26-2,27-2 к «земле», а группы пусковых резисторов контакторами 1 -2 и 2-1 — к контактной сети. Все тяговые двигатели образуют четыре параллельные цепи, в каждой из которых включено по два двигателя (рис. 2,е).
Значительное уменьшение силы тяги при переходе коротким замыканием или шунтированием части двигателей резисторами может быть устранено при переходе по схеме моста, что широко применяют на электропоездах и электровозах постоянного тока (или секциях электровозов с четырьмя двигателями). При переходе по схеме моста необходимо, чтобы двигатели каждой группы имели отдельные пусковые реостаты и свой комплект контакторов для ступенчатого изменения сопротивления (рис. 3).
В качестве примера (применительно к электропоезду ЭР2) в конце реостатного пуска на ходовой позиции последовательного соединения все секции пусковых реостатов выведены (рис. 3,а). При переходе с последовательного соединения на параллельное вначале включаются переходные контакторы П1 и П2, которые параллельно каждой группе двигателей I, II и III,
IV подключают равные по сопротивлению секции пусковых реостатов. Группы двигателей и эти реостаты соединены при этом уравнительным мостовым контактором М (рис. 3,6). Ток от токоприемника протекает по двум параллельным цепям: через двигатели I — IV (ток I) и через пусковые реостаты — 1г а через мостовой контактор М проходит уравнительный ток 1у, равный их разнице. Направление тока I зависит от значения протекаемых по цепям токов.
Теоретически, подобрав величину пускового сопротивления по балансу токов моста в точке пересечения скоростных характеристик двигателей на ходовой позиции последовательного соединения (кривая С на рис. 3,г) и 1-й реостатной позиции параллельного соединения (кривая П), контактор М выключается без тока, и переход на первую реостатную позицию параллельного соединения (рис. 3,в) происходит без изменения тока двигателей, а, следовательно, и силы тяги.
На моторных вагонах электропоездов с автоматическим управлением обычно выбирают величину уставки реле ускорения такой, чтобы для определенного значения напряжения в контактной сети сохранялся баланс токов тяговых двигателей. Однако даже в этом случае баланс токов может быть нарушен при повторных включениях двигателей после выбега, когда пусковой ток меньше расчетного или при изменении уставки по току. Практически всегда через мостовой контактор М протекает уравнительный ток, и контактор при переходе на П-соединение разрывает цепь тяговых двигателей под током. Поэтому мостовые контакторы, а также контакторы П1 и П2 выполняют с дугога-шением.
При дальнейшей модернизации электропоездов и их силовых схем была предложена несколько иная схема мостового перехода с силовыми диодами, которая стала применяться на электропоездах ЭД4М с № 500 и ЭП2Д (рис. 4).
Особенностью силовых схем электропоездов ЭП2Д является силовой контакт РК20, который выключается с 9-й позиции, вводя в силовую схему тяговых двигателей диагональные диоды Д13 — Д15, тем самым подготавливая тяговые двигатели к переходу по схеме «моста». На 11-й позиции пускотормозные резисторы полностью выведены путем включения контак
тов РК7 и РК8. В силовой цепи контакт РК11 так же замкнут для равенства величин пусковых резисторов в параллельных группах ТЭД.

При постановке контроллера машиниста в положение «2» происходит переключение ТЭД с последовательного на параллельное соединение. Вал реостатного контроллера переключается на 12-ю позицию. При этом образуются две силовые параллельные цепи тяговых двигателей (по тележкам):
Ъ 1-я ветвь: контактор ЛКТ -Э обмотки якоря тяговых двигателей М1, М2 -Э датчики тока якорей ДТЯ1, ДТЯ2 -Э контакт тормозного переключателя ТП1.6 -Э обмотки возбуждения тяговых двигателей М1, М2 контакт 7 РК -Э пусковые резисторы R17 — R20 контакт 11 РК контакт 19 РК -Э контакт ТП2.1 -Э ЗУ;
2-я ветвь: контактор ЛКТ -Э контакт 18 РК пусковые резисторы R13 — R1 б -Э контакт 8 РК обмотки якоря тяговых двигателей М3, М4 обмотки возбуждения тяговых двигателей М3, М4 -Э датчики тока якорей ДТЯЗ, ДТЯ4 -Э контакт ТП2.1 -Э ЗУ.
Таким образом, в силовой цепи каждой пары тяговых двигателей включены четыре секции пусковых резисторов. В диагональ моста между группами резисторов и контактами 7 и 8 РК включены диагональные диоды Д13 — Д15.
Принцип перехода по схеме моста так же используется и на пассажирском электровозе ЧС7. Однако здесь переход на СП-соединение имеет свои особенности. При переходе на 20-ю позицию (ходовую) включается линейный контактор (ЛК) ЛК 031. В этом случае шунтируются контактор ЛК 030, пускотормозные резисторы (ПТР) и обеспечивается прямое подключение тяговых двигателей к контактной сети (рис. 5,а). Одновременно схема подготавливается к мостовому переходу на СП-соединение. Такая позиция еще называется «экономичной сериесной».
Переход на СП-соединение (М1) осуществляется по мостовой схеме с использованием одной «переходной» (21-й) позиции ПБК (рис. 5,6). На этой позиции:

• включением ЛК 0571, 0581 — в цепь ТД 1-й секции вводится ПТР 0901;
• включением ЛК 0572, 0582, 0292 — в цепь ТД 2-й секции вводится ПТР 0902.

Образуются следующие силовые цепи.
В 1-й секции: ТЭД 1 — 4 и далее цепь разветвляется:
контакты переключателя Х-Т 12-10 0711 -ЭЛК 0581 -Э ПТР 0901 -ЭЛК 0571 -Э «земля»;
контакты переключателя Х-Т 27-25 0721 -Э межкузовное соединение -Э контакты переключателя Х-Т 12-10 0712 ЛК 0602 (по этой цепи протекает уравнительный ток).
Во 2-й секции: ЛК 0572 -Э ПТР 0902 -Э ЛК 0582 и далее цепь разветвляется:
контакты переключателя Х-Т 27-25 0712 -Э ЛК 0602 — первая уравнительная цепь;
ТЭД 5 — 8 -Э контакты переключателя Х-Т 27-25 0722.
Далее цепь снова разветвляется:
ЛК 0292 -Э «земля» — основная цепь;
межкузовное соединение -Э ЛК 0601 «земля» — вторая уравнительная цепь.
Таким образом, в силовой цепи ТЭД через контакторы 0602 и 0601 протекает ток, равный разности токов в цепи тяговых двигателей и пусковых резисторов. В определенных условиях (скорость, напряжение в контактной сети) уравнительный ток, протекающий через контактор 0602, равен нулю, а контактор при этом будет отключаться без тока.
Особенностью перехода на СП-соединение на электровозе ЧС7 является срабатывание дифференциальных реле ДР 0151 и ДР 0152 из-за одновременного включения контакторов 0601 и 0292. В целях исключения срабатывания БВ на переходной 21-й позиции в цепях управления блок-контакты ДР 015 шунтируются контактами ПБК 65-66 или реле «F».
На 22-й позиции отключаются контакторы 0601 и 0602, разрывая цепь «моста» и завершая переход на СП-соединение. При этом образуются две параллельные цепи по четыре тяговых двигателя с ПТР 090 (рис. 5,в) с питанием через БВ и ДР своей секции.
На 38-й позиции (ходовой) включаются линейный контактор ЛК 059, шунтируя ПТР, ЛК 057, ЛК 058 и образуя при этом «экономичное» СП-соединение (рис. б,а). При переходе
на П-соединение (39-я переходная позиция) в каждой секции одновременно включаются ЛК 030, ЛК 040, вводя в цепь тяговых двигателей пускотормозные резисторы ПТР 090, 092 (рис. 6,6). Через контактор 031 протекает уравнительный ток. На 40-й позиции (рис. 6,в) контактор 031 размыкается, и переход на
П-соединение завершается, образуя четыре параллельные ветви (по два тяговых двигателя в каждой).
На электровозах ВЛ11, ВЛ11М переключение тяговых двигателей с одного соединения на другое осуществляется с применением запирающих диодов («вентильный» переход). В данном случае переход с использованием диодов (рис. 7) происходит без разрыва силовой цепи и образования генераторного тока.
В процессе перехода на П-соединение одновременно разворачиваются валы групповых переключателей ПкГ2 во всех секциях электровоза. При этом:

• контакторные элементы 1 и 4 выключаются, разрывая последовательную цепь ТЭД 1 — 4 каждой секции, но через диоды Д1 — Д12 продолжает протекать ток в силовой цепи двигателей;
• элементы 2 и 3 включаются, подавая питание 3 и 4-му тяговым двигателям;
• элементы 5 и 6 включаются, соединяя 1-й и 2-й тяговые двигатели с «землей».

В конце перехода в каждой секции образуется параллельное соединение тяговых двигателей с питанием от линейных контакторов К1 и К10 через резисторы R1, R2 с уравнительным контактором К17 и элементами ПкГ2.
На современных электровозах с «вентильным» переходом вместо групповых переключателей используются индивидуальные электропневматические контакторы.