3 Особенности и свойства тягового электропривода эпс постоянного

тока с контакторно-реостатным управлением

3.1 Тяговый электропривод с двигателями последовательного возбуждения

Система электрической тяги постоянного тока с электродвигателями последовательного возбуждения существует столько, сколько существует тяговый электропривод.

Здесь регулирование напряжения на тяговых двигателях последовательного возбуждения осуществляется с помощью сначала перегруппировки двигателей с одного соединения на другое и введения в цепь двигателей на каждом соединении пусковых резисторов и затем постепенном выведении этих резисторов по мере роста скорости движения.

Регулирование (ослабление) магнитного потока обмоток возбуждения двигателей осуществляется изменением (уменьшением по сравнению с током якоря) тока возбуждения путем шунтирования обмоток возбуждения специальными резисторами.

Все переключения в схеме силовой цепи тягового электропривода с целью изменения тех или иных ее параметров осуществляются с помощью специальных контакторов.

Достоинства этой системы: простота, невысокая стоимость и доступность технической реализации.

Недостатки:

– низкая надежность и большие эксплуатационные расходы;

– групповое управление тяговыми двигателями, что исключает возможность их индивидуального (поосного) регулирования;

– ступенчатое регулирование напряжения ТЭД и, как следствие, ограниченное число ходовых характеристик;

– большие потери электроэнергии в пусковых реостатах;

– прямое подключение тяговых двигателей к контактной сети, что не позволяет получить оптимальные уровни напряжения как в контактной сети

(3000 в – заниженное), так и на тяговых двигателях (1500 В – завышенное);

– практическая невозможность автоматизации как самого процесса управления двигателями, так и отработки различных возмущающих воздействий (толчки напряжения в контактной сети, боксование и т.п.);

– применение разных систем возбуждения тяговых электродвигателей в режимах тяги (последовательное возбуждение) и рекуперации (независимое возбуждение), что не позволяет получить автоматический переход из одного режима в другой. Кроме того, использование независимого возбуждения генератора в режиме электрического торможения заставляет решать свойственные этому типу возбуждения проблемы равномерного распределения нагрузки между параллельно включенными генераторами и получения удовлетворительного качества переходных процессов;

– тяговый электродвигатель с коллекторно-щеточным аппаратом.

Таким образом, контакторно-реостатную систему управления ЭПС постоянного тока в настоящее время уже нельзя признать перспективной.

3.2 Применение в тяговом электроприводе постоянного тока

электрических машин с независимым возбуждением

Отмеченные выше (п. 2) достоинства электрических машин независимого возбуждения всегда привлекали внимание разработчиков тягового электропривода постоянного тока.

Частичное решение проблемы использования независимого возбуждения было получено для режима рекуперации применением специальных схем:

– схемы со стабилизирующим резистором (электровоз ВЛ22м);

– схемы с противовозбуждением возбудителя (электровоз ВЛ11).

Все эти схемные решения достигают поставленной цели за счет введения внутренней отрицательной обратной связи по току рекуперации (току якоря генератора). В качестве примера рассмотрим схему рекуперации со стабилизирующим резистором – рисунок 3.1.

Рисунок 3.1 – Схема тягового электропривода со стабилизирующим резистором

По этой схеме может быть реализован не только режим рекуперации, но и режим тяги. Направление токов для обоих режимов показано на схеме (Iят – ток якоря в режиме тяги, Iяг – ток якоря в режиме рекуперации).

В статическом режиме для внутреннего контура рассматриваемой схемы можно записать следующее уравнение

Е_в = (R_яв + R_в) · I_в + R_ст · (I_в I_я). (3.1)

Откуда

Iв = (3.2)

или

Iв = Iво К·Iя , (3.3)

где знак (+) – для режима тяги;

знак (-) – для режима рекуперации;

Iво = , (3.4)

Iво – составляющая тока возбуждения, определяющая независимую

часть м.д.с. обмотки возбуждения;

К = , (3.5)

К – коэффициент компаундирования;

К · Iя – составляющая тока возбуждения, определяющая зависимую от тока

якоря часть м.д.с. обмотки возбуждения.

Таким образом, тяговый электропривод, выполненный по схеме со стабилизирующим резистором, при наличии только одной обмотки возбуждения имеет характеристики электрической машины смешанного возбуждения:

– в режиме тяги – двигателя согласно-смешанного возбуждения;

– в режиме рекуперации – генератора встречно-смешанного возбуждения.

Как известно, такие электрические машины имеют отрицательную обратную связь по току якоря, что и улучшает качество переходных процессов при колебаниях напряжения в контактной сети:

• для режима тяги

по (3.4)

• для режима рекуперации

по (3.4)

Однако, из-за использования электромашинного источника питания обмоток возбуждения рассматриваемая схема тягового электропривода не нашла широкого

применения.

В настоящее время в связи с развитием силовой полупроводниковой техники появилась возможность создания статических преобразователей высокого напряжения контактной сети (3 000 В) в низкое напряжение (0 – 100В) для питания обмоток возбуждения ТЭД. Такие преобразователи выполняются по схеме ИТВ (инвертор – трансформатор – управляемый выпрямитель). Поэтому идея использования независимого возбуждения электрических машин в тяговом электроприводе постоянного тока получила «второе дыхание».

В настоящее время на заводе «УЗЖМ» (г. Верхняя Пышма, Свердловская область) осваивается производство электровоза 2ЭС6, принципиальная электрическая схема силовой цепи которого приведена на рисунке 3.2.

Эта схема отличается от схемы рисунка 3.1 тем, что электромашинный возбудитель заменен статическим полупроводниковым преобразователем, а стабилизирующий резистор – реактором.

Рисунок 3.2 – Принципиальная электрическая схема силовой цепи

электровоза 2ЭС6

Первое решило проблему питания обмоток возбуждения на любом соединении тяговых двигателей и позволило автоматизировать процессы управления режимами тяги и рекуперации по каналу возбуждения, а второе – в динамическом режиме усилило эффект действия отрицательной обратной связи по току якоря, что улучшило качество переходных процессов.

На рисунке 3.3 приведена тягово-тормозная диаграмма электровоза 2ЭС6. Из нее следует, что тяговый электропривод рассматриваемого электровоза имеет характеристики, свойственные электродвигателю согласно-смешанного возбуждения в режиме тяги и генератору встречно-смешанного возбуждения в режиме рекуперации.

Рекуперация Тяга

Здесь: «+» – для УП

«–» – для ОП

Кривые 1, 2 – ограничение по коммутации;

Кривая 3 – зависимость V(I_я) при I_в = I_я;

Кривые 4, 5 – зависимость V(I_я) при U_СП = const.

Рисунок 3.3 – Тягово-тормозная диаграмма электровоза 2ЭС6

Исследование электромагнитных переходных процессов в силовой цепи рассматриваемого тягового электропривода может быть произведено с использованием следующих дифференциальных уравнений:

, (3.6)

, (3.7)

(3.8)

. (3.9)

Здесь верхние знаки (+) или (-) для режима тяги, а нижние – для режима рекуперации. При этом надо иметь в виду, что уравнения эти нелинейные.

Примечание. Недостатки, свойственные контакторно-реостатной системе управления, остались у электровоза 2ЭС6 практически в полном объеме.