2 Сравнение свойств тяговых электродвигателей постоянного тока

с последовательным и независимым возбуждением

2.1 Регулировочные свойства

У тяговых двигателей с последовательным возбуждением (ТЭД СВ) один канал регулирования скорости – по якорю, а у тяговых двигателей с независимым возбуждением (ТЭД НВ) – два канала: по якорю и по возбуждению. Однако у этих двигателей есть общая проблема: трудности с регулированием входного постоянного напряжения, т.к. оно, как известно, не трансформируется. В настоящее время, когда уже имеются силовые полупроводниковые приборы (транзисторы и полностью управляемые тиристоры) достаточной мощности, то при модернизации существующего и создании нового ЭПС эту проблему можно считать решенной.

2.2 Распределение нагрузки между ТЭД при их параллельном включении

При параллельном включении ТЭД из-за разброса их характеристик (допустимый разброс характеристик согласно ГОСТ ± 3 %) имеет место неравномерное распределение их токовых нагрузок.

На рисунке 2.1 приведены электромеханические характеристики V(I) двух тяговых двигателей ТЭД1 и ТЭД2 для двигателей с последовательным возбуждением (рисунок 2.1, а) и независимым возбуждением (рисунок 2.1, б).

Рисунок 2.1 – Электромеханические характеристики ТЭД

Из рисунка 2.1 следует, что при любом виде возбуждения более скоростной двигатель ТЭД2 имеет большую токовую нагрузку по сравнению с менее скоростным двигателем ТЭД1. Однако, если для двигателей последовательного возбуждения разброс токовых нагрузок между ТЭД1 и ТЭД2 незначителен, то для двигателей с независимым возбуждением он недопустимо велик.

2 .3 Работа тягового двигателя без нагрузки на валу

Из приведенных на рисунке 2.1 характеристик ТЭД видно, что при срыве сцепления колеса с рельсом (ток Iср.сц) колесномоторный блок с ТЭД СВ автоматически сбрасывает нагрузку с недопустимым увеличением скорости (говорят «… уходит в разносное боксование»), а колесномоторный блок с ТЭД НВ при незначительном увеличении скорости сбрасывает нагрузку до восстановления сцепления колеса с рельсом.

Примечание. Более подробно этот вопрос рассмотрен в разделе 7 первой части лекционного курса.

2.4 Качество переходных процессов

2.4.1 Электрическая устойчивость

На рисунке 2.2 приведены структурные схемы тяговых двигателей последовательного (рисунок 2.2,а) и независимого (рисунок 2.2, б) возбуждений.

Рисунок 2.2 – Структурные схемы ТЭД

Из структурных схем тяговых двигателей следует, что оба двигателя электрической устойчивостью обладают, т.к. ТЭД СВ является апериодическим звеном 1-го порядка, ТЭД НВ – при управлении по якорю также является апериодическим звеном 1-го порядка, а при управлении по возбуждению –апериодическим звеном 2-го порядка.

2.4.2 Переходные процессы при колебаниях напряжения питания

Из структурной схемы ТЭД СВ видно, двигатель имеет отрицательную обратную связь по току якоря через противо-э.д.с., которая при толчках сетевого напряжения стремится ток двигателя стабилизировать:

Таким образом, ТЭД СВ при колебаниях напряжения питания имеет хорошее качество переходных процессов.

У ТЭД НВ отрицательная обратная связь отсутствует и потому всякое изменение сетевого напряжения приводит к пропорциональному изменению тока якоря:

И даже если предусмотреть автоматическое регулирование тока якоря по цепи возбуждения, то стабилизировать ток якоря все равно не удастся, т.к. постоянная времени обмотки возбуждения Тв много больше постоянной времени якоря Тя.

Таким образом, ТЭД НВ при колебаниях напряжения питания имеет неудовлетворительное качество переходных процессов.

2.4.3 Переходные процессы при коротких замыканиях в силовой цепи

На рисунке 2.3 приведены схемы двигателей и кривые тока двигателей в режиме короткого замыкания для ТЭД СВ (рисунок 2.3,а) и ТЭД НВ (рисунок 2.3,б).

У ТЭД СВ после отключения быстродействующего выключателя (БВ) остается короткозамкнутый контур якорь – земля – обмотка возбуждения – якорь, в котором под действием противо-э.д.с. тяговый ток Iмт уменьшается до нуля, а затем под действием уже э.д.с. остаточного намагничивания (Еост = С·Фост·V) меняет направление, т.е. становится генераторным током Iмг, и, размагничивая магнитную систему двигателя, вновь уменьшается до нуля.

У ТЭД НВ после отключения БВ также остается короткозамкнутый контур якорь – земля – якорь, в котором под действием противо-э.д.с. тяговый ток Iмт тоже уменьшается до нуля, а затем под действием э.д.с., созданной полным магнитным потоком обмотки независимого возбуждения, возникает генераторный ток короткого замыкания:

. (2.1)

Рисунок 2.3 – Режимы короткого замыкания ТЭД

Таким образом, в случае короткого замыкания в силовой цепи электровоза у ТЭД СВ аварийного режима работы не возникает, а у ТЭД НВ в якорной цепи имеет место ток короткого замыкания.

2.5 Генераторный режим

2.5.1 Переход в режим рекуперации

На рисунке 2.4 приведены схемы подключения к контактной сети и характеристики V(I) генераторов постоянного тока последовательного (рисунок 2.4,а) и независимого (рисунок 2.4,б) возбуждений.

Рисунок 2.4 – ТЭД в генераторном режиме

Из рисунка 2.4,а следует, что ТЭД СВ не только не имеет возможности автоматически перейти в генераторный режим (электромеханическая характеристика V(I) не пересекает ось скорости), но и требует предварительного переключения (реверсирования) обмотки возбуждения (или обмотки якоря) с целью сохранения возможности самовозбуждения.

Из рисунка 2.4,б видно, что ТЭД НВ без каких-либо переключений в силовой цепи автоматически по мере роста скорости движения (при движении поезда на легких элементах профиля пути) переходит (при скорости Vо) в генераторный режим. Здесь регулирование (управление) процессом рекуперации легко осуществляется по цепи возбуждения.

2.5.2 Электрическая устойчивость и переходные процессы

Из рисунка 2.2,а видно, что при переходе ТЭД СВ в генераторный режим отрицательная обратная связь по току двигателя через противо-э.д.с. превращается в положительную обратную связь по току генератора через его э.д.с., т.е. генератор последовательного возбуждения электрической устойчивостью не обладает и потому в режиме рекуперации на ЭПС использован быть не может.

Из рисунка 2.2,б видно, что по цепи возбуждения, по которой идет процесс управления режимом рекуперации, генератор с независимым возбуждением оказывается апериодическим звеном 2-го порядка, т.е. электрической устойчивостью обладает. Но:

а) из-за жесткости своих характеристик проблема с распределение нагрузки при параллельной работе таких генераторов остается;

б) Тв > Тя – т.е. остается нерешенной проблема качества переходных процессов при колебаниях напряжения в контактной сети;

в) для предотвращения повреждения якоря двигателя в режиме короткого замыкания требуется установка специальной быстродействующей защиты – контакторов БК.

Ниже приведена сводная сравнительная таблица свойств тяговых двигателей с последовательным и независимым возбуждением.

Таблица 2.1 – Свойства тяговых двигателей с последовательным и независимым возбуждением

Свойства	ТЭД СВ	ТЭД НВ
Регулировочные свойства	–	+
Распределение нагрузки при параллельной работе	+ !	–
Работа двигателя без нагрузки на валу	–	+
Качество переходных процессов	+ !	–
Работа в генераторном режиме	–	+

Из этой таблицы становится очевидным, почему именно тяговый двигатель последовательного возбуждения нашел преимущественное применение в тяговом электроприводе ЭПС.