Регулирование скорости

Способы регулирования скорости. В условиях эксплуа­тации у водителя возникает необходимость в регулиро­вании скорости подвижного состава в широких пределах:

(22)

Из выражения (22) следует, что скорость двигателя можно регулировать тремя способами:

1. изменением напряжения на зажимах двигателя U_д;

2. включением последовательно с двигателями регулируемого резистора сопротивлением R;

3. изменением магнитного потока СФ.

И зменение напряжения на зажимах тягового двигателя при заданном напряжении контактной сети можно осуществить различными путями. На городском электри­ческом транспорте нашли применение переключения тяго­вых двигателей с последовательного на параллельное соединение; использование импульсного регулирования.

Последовательно-параллельное переключение тяговых двигателей - достаточ­но экономичный способ и не требует сложного дополнительного оборудования.

На рис. 8 показаны схемы переключения четырех тяговых двигателей. Вначале двигатели сое­диняют последователь­но (рис. 8,а), при этом к каждому двигателю прикладывается напря­жение U_c/4. При по­следовательно-парал­лельном соединении двигателей (рис.8,б) напряжение, приложенное к двигателю, уве­личивается и становит­ся равным Uc/2

Рис. 8. Схемы переключения четырех тяговых двигателей

Не­достатком такого спосо­ба является отсутствие плавного регулирова­ния скорости, наличие значительного числа коммутационной аппа­ратуры, при последо­вательном соединении двигателей имеем мяг­кие тяговые характе­ристики, что способст­вует боксованию.

В настоящее время широкое применение находят способы регулирования напряжения с помощью статических полупроводниковых преобразователей на по­движном составе. Наиболее целесообразным является использование тиристорных импульсных регуляторов. В этом случае напряжение контактной сети прикладывается к импульсному регулятору ИР (рис. 9), на выходе кото­рого получаем регулируемое в широких пределах напряже­ние, которое подводится к тяговым двигателям.

Рис. 9. Схема ЭПС с импульсным регулятором

Характеристики двигателей при изменении напряжения

Расчет характеристик двигателей последовательного возбуждения. Если для двигателей данного типа имеются характеристики при номинальном напряжении, их можно пересчитать на другое напряжение.

Скоростная характеристика тягового двигателя v(I) при любом напряжении может быть рассчитана на осно­вании выражения . Для этого необходимо иметь характеристику СФ(I) данного двигателя. Если эта характеристика не задана, ее можно определить на основании заданной скоростной характеристики v(I) при напряжении U_д, пользуясь выражением . Откуда:

Для двигателей последовательного возбуждения более удобен непосредственный пересчет скоростной характеристики с одного напряжения на другое без построения промежуточной кривой СФ(I).

Скорость двигателя v₁ при напряжении U_д1 определяет­ся соотношением

(23)

Скорость v при напряжении U_д

(24)

Так как магнитный поток СФ двигателя последова­тельного возбуждения зависит только от тока нагрузки I, то при данном токе магнитный поток будет иметь одно и то же значение при любых уровнях напряжения на двигателе.

Разделив выражение (23) на выражение (24), получим

(25)

Отсюда скорость подвижного состава на ободе колеса при напряжении U_д1

(26)

Электромеханические характеристики при различных уровнях напряжения U_д1 и U_д построены на рис. 10. Характеристика к. п. д. η(I) при любом значении напряже­ния на двигателе может быть рассчитана на основании выражения

.

если имеется зависимость магнитных и механических потерь от скорости и тока возбуждения. Возмож­но приближенное опре­деление к. п. д. η₁ при напряжении U_д1 и к. п. д. η при напряжении U_д. При этом считаем, что при одинаковых токах сумма магнитных и механических потерь, включая потери в передаче, пропорциональна квадрату скорости, а, следовательно, и квадрату напряжения, т.е.

(27).

Рис. 10. Электромеханические характеристики на ободе движущего колеса при изменении напряжения на двигателе

Тогда (28)

Электрические потери I²r при одном и том же токе одинаковы при любых уровнях напряжения.

Если полные потери при напряжении U_д

, (29)

То при напряжении U_д1 полные потери

. (30)

Подставляя выражение (28) в (30), получим

= (31)

Т.к. , то

, (32)

Соответственно:

(33)

Используя выражения (31), (32) и (33), получим:

, (34)

Откуда

) . (35)

При понижении напряжения к.п.д. в области малых нагрузок увеличивается благодаря уменьшению магнит­ных и механических потерь (см. рис. 10). В области средних и больших нагрузок к. п. д. при понижении напряжения уменьшается в результате роста удельного веса электрических потерь . Характе­ристика силы тяги F(I) определяется на основании электромагнитной силы F_эм и потерь ΔF. Характеристика электромагнитной силы двигателя последовательного воз­буждения F_эм = 3,6СФI не зависит от приложенного напряжения. Потери силы тяги ΔF, которые определяются магнитными и механическими потерями, при понижении напряжения уменьшаются. Следовательно, сила тяги при уменьшении напряжения несколько увеличится. Величина ΔF настолько мала по сравнению с силой тяги F, что в тяговых расчетах ее не учитывают и принимают, что при изменении питающего напряжения сила тяги не изменяется. Следовательно, изображенная на рис. 10 характеристика F(I) при напряжении U_д может быть принята и для любого другого напряжения.

При регулировании напряжения на зажимах двигателя смешанного возбуждения пересчет характеристик про­изводится таким же способом, как и у двигателей последовательного возбуждения, если ток в параллельной обмотке возбуждения не изменяется. Если одновременно изменяется напряжение на двигателе и ток в параллель­ной обмотке возбуждения, что может иметь место при колебании напряжения в контактной сети, пересчет характеристик необходимо проводить в два этапа. Сначала характеристики пересчитывают на измененное напряжение, считая, что ток в параллельной обмотке оста­ется неизменным. Затем полученные характеристики пере­считывают на изменившийся ток в параллельной обмотке возбуждения.

Расчет характеристик при изменении сопротивления реостата. Рассмотрим, как влияет на регулирование ско­рости включение последовательно с тяговым двигателем регулируемого реостата R. В этом случае скоростную характеристику можно рассчитать по характеристике СФ(I), пользуясь выражением

(36)

где v₁ - скорость при наеденном в цепь двигателя сопротивлении реостата;

U - общее напряжение, приложенное к последовательно соединенным двигателю и реостату R Напряжение на зажимах двигателя будет определяться величиной U - IR . Разделив выражение (36) на (24) и выразив v_1, получим:

. (37)

Как уже указывалось, характеристика силы тяги F(I) практически не зависит от напряжения и, следовательно, не изменяется при включении реостата в цепь двигателя.

Н а рис. 11 представлены скоростные характеристики двигателя при полном напряжении и при введенных в цепь двигателя двух значений сопротивлений реостата R₁ и R₂, причем R₁ > R_2. Как следует из этих ха­рактеристик, скорости v₁ и v₂ мало отличаются от скорос­тей v в зоне малых нагрузок. По мере возрастания нагрузки увеличивается падение напряжения на сопротив­лении реостата IR, и различие скоростей становится значительным. Но чем больше сопротивление, включен­ное в цепь двигателя, тем круче падает скоростная характеристика.

Рис.11. Скоростные характеристики при изменении

сопротивления в цепи двигателя

Такой способ для длительного регулирования скорости применяется редко, так как он обладает существенными недостатками: значительные потери энергии в реостате; скоростные характеристики получаются мягкими, что увеличивает вероятность возникновения боксования. Как правило, такой способ регулирования применяется в сочетании с перегруппировкой двигателей.