Контактный электрический транспорт

Контактный электрический транспорт может быть выполнен как с питанием на постоянном токе, так и на переменном токе промышленной частоты. Переменный ток используется на магистральных железнодорожных путях с напряжением в контактной сети 25 кВ. В условиях города по правилам электробезопасности использования напряжения более 1000 в воздушной контактной сети запрещено. А при таком уровне напряжения использования переменного тока малоэффективно из-за высокой индуктивности контактной сети.

На Украине на городском электротранспорте используется постоянный ток напряжением 600 В для трамваев и троллейбусов и 825 В для метрополитена, за рубежом - 550-750 В постоянного тока для трамваев и 750-1100 В - для метрополитена.

На электрическом подвижном составе могут применяться тяговые электродвигатели (ТЭД) как постоянного тока, так и двигатели переменного тока (синхронные или асинхронные). Использование ТЭД переменного тока требует применения статических преобразователей, что усложняет электрическую схему подвижного состава. Однако такие ТЭД имеют значительно более высокую надежность по сравнению с машинами постоянного тока.

Требования к тяговому электрооборудованию подвижного состава городского электрического транспорта

К тяговому электрооборудованию (ЭлОб) относятся электрические двигатели, тяговые электрические аппараты, системы управления и источники питания подвижного состава. Тяговое ЭлОб подвижного состава работает в более тяжелых условиях по сравнению с ЭлОб стационарных установок и к нему предъявляются следующие требования:

1)Механическая часть ЭлОб работает при частых ударных нагрузках. Это требует повышенной механической и электрической устойчивости деталей и узлов ЭлОб и высокой надежности их крепления. Для уменьшения ударных нагрузок необходимо, чтобы все ЭлОб было подрессоренным.

2)ЭлОб чаще всего работает на открытом воздухе, в условиях повышенной влажности, больших перепадов температур. Необходимо, чтобы изоляционные детали имели влагостойкую изоляцию, а все металлические детали были защищены антикоррозийным покрытием.

3)Номинальное напряжение, применяемое на городском электротранспорте, выше, чем в большинстве промышленных установок. Это повышает требования к коммутационной надежности ТЭД и вспомогательных высоковольтных ЭМ. Эти машины должны быть рассчитаны на работу в переходных режимах, которые связаны с изменением напряжения в контактной сети, проездом спецчастей и работой ЭлОб.

4)Электрический подвижной состав работает с разной нагрузкой на переменном профиле, параметры воздуха (влажность и температура), который охлаждает ЭлОб, могут иметь широкий диапазон значений, что приводит к широкому диапазону изменения сопротивлений обмоток и токоведущих частей ЭлОб. Тяговые ЭД и электрические аппараты должны надежно работать при самых негативных совпадениях температуры обмоток и напряжения в контактной сети.

5)Пространство для размещения и монтажа ЭлОб на подвижном составе ограничено. Поэтому тяговое ЭлОб должно иметь минимальные габаритные размеры и массу.

6)Отказ в работе ЭлОб на линии (особенно рельсового транспорта) приводит к нарушению графика движения. Поэтому ЭлОб должно иметь высокую надежность и хороший доступ для обслуживания

иремонта. Конструкция ЭлОб должна позволять быструю замену неисправных деталей и узлов.

По своему назначению тяговое ЭлОб можно разделить на следующие группы: а) тяговые электродвигатели.

б) тяговые электрические аппараты.

в) вспомогательные электрические машины.

г) источника питания цепей управления, освещения и сигнализации.

В ЭлОб автономного и комбинированного подвижного состава входят автономные источники питания ТЭД (тяговая аккумуляторная батарея или тяговый генератор с устройствами для регулирования напряжения).

По системе возбуждения разделяют ЭД последовательного, смешанного параллельного и независимого возбуждения. Наиболее приспособленными для условий тяги является ТЭД последовательного возбуждения. Они имеют следующие преимущества по сравнению с двигателями параллельного возбуждения:

-Тяговые характеристики позволяют лучше использовать подвижной состав и устройства электроснабжения в условиях переменных нагрузок;

-При параллельной работе двигателей более равномерно распределяется нагрузка между двигателями в результате "мягких" скоростных характеристик;

-Значительно лучше работают в переходных режимах, из-за большой коммутационной устойчивости к появлению кругового огня;

-При одинаковой мощности имеют меньший вес и габаритные размеры за счет уменьшения объема изоляции обмотки последовательного возбуждения.

Двигатели параллельного возбуждения не используются как тяговые, так как имеют различные значения постоянных времени цепей якоря и обмотки возбуждения. Поэтому при переходных процессах изменение магнитного потока значительно отстает от тока якоря, что приводит к возникновению кругового огня.

Двигатели смешанного возбуждения занимают промежуточное положение между двигателями последовательного и параллельного возбуждения. Их широкое использование обусловлено в первую очередь простотой регулирования частоты вращения за счет использования шунтирующей обмотки (по сравнению с двигателями последовательного возбуждения) и возможности перехода в тормозной режим без усложнения схемы силовой цепи.

Источники питания и электрические аппараты цепей сигнализации комплектуются из стандартного ЭлОб автобусов или машин специального назначения. Большинство аппаратов с индивидуальным приводом выполняют на базе стандартных электрических аппаратов для промышленных установок.

При регулировании ТЭД системы управления должны выполнять следующие функции:

1)соединение ТЭД к контактной сети и отключение от нее по желанию водителя или автоматически (при перегрузках, к.з., исчезновении напряжения в контактном проводе, превышении напряжения);

2)переключения ступеней пуско-тормозных резисторов;

3)переключения ступеней в цепи возбуждения ТЭД для изменения его магнитного потока;

4)переключения ТЭД с одной группы на другую;

5)переключения ТЭД из тяги на торможение и наоборот;

6)включения режима торможения и переключения с одного вида торможения на другое;

7)изменение направления движения подвижного состава (реверс);

8)отключение части двигателей при аварийных режимах.

Перечисленные операции предполагаются не на всех типах подвижного состава. Например, на троллейбусах и некоторых типах трамваев не предусматривается перегруппировка ТЭД, не на всех типах подвижного состава существуют аварийные силовые схемы.

Системы управления ТЭД в зависимости от вида пусковых устройств разделяют на ступенчатые и плавные.

Систему управления необходимо строить с учетом следующих требований:

-Операции по управлению ТЭД должны выполняться простыми и легко запоминающимися движениями (рукоятками или педалями контроллера управления), причем одновременно нельзя использовать более одной педали или рукоятки;

-Все рукоятки и педали должны быть сблокированы, чтобы исключить возможность ложных движений и обеспечить при любых условиях более безопасный режим - торможение;

-Отказ в работе любого электрического аппарата не должна вызывать возникновение вместо тормозного режима тягового;

-Должно быть обеспечено максимальное упрощение работы водителя - легкое и доступное обслуживание ЭлОб в эксплуатации;

-Обеспечение минимальных габаритов и веса электрического оборудования, а также минимальной стоимости системы управления и затрат на обслуживание.

ОСОБЕННОСТИ ХАРАКТЕРИСТИК ТЯГОВЫХ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ДВИГАТЕЛЕЙ ПОСТОЯННОГО ТОКА

Наиболее распространенными типами двигателей на подвижном составе городского электрического транспорта являются ДПТ с последовательным и смешанным возбуждением.

Преимущества. Двигатели с последовательным возбуждением требуют меньшего числа троллеев для подвода электропитания, характерный пример этого – ЭП трамваев и троллейбусов. Двигатели с последовательным и смешанным возбуждением имеют большую (по сравнению с двигателями независимого возбуждения) перегрузочную способность по моменту, эти двигатели более надежны (особенно двигатели последовательного возбуждения, имеющие малое межвитковое напряжение в обмотке возбуждения), не боятся снижения напряжения в питающей сети. При применении рассматриваемых двигателей для ЭП механизмов с резкими пиками нагрузки мягкость механической характеристики (особенно в области малых нагрузок) обеспечит таким приводам преимущество. При пике нагрузки двигатель автоматически снижает скорость, разряжая запас кинетической энергии на вал рабочей машины. При этом ограничивается величина бросков тока в якоре. Малые грузы поднимаются с большей скоростью, а большие – с малой скоростью. Причем это производится автоматически за счет специфики механических характеристик, а не

за счет сложных регулирующих устройств.

Недостатки. Двигатели со смешанным и последовательным возбуждением нельзя включать в сеть вхолостую или с малой статической нагрузкой, так как скорость их в этих случаях превысит допустимые значения, и наступит «разнос» двигателя, сопровождающийся повреждением бандажей и обмоток под действием центробежных усилий.

Двигатели с последовательным и смешанным возбуждением имеют большую стоимость по сравнению с двигателями независимого возбуждения той же мощности и скорости. Это объясняется большим расходом активных материалов (железа и меди) для обеспечения большей перегрузочной способности по току и моменту.

Для двигателя смешанного возбуждения зависимость СФ = f (I) имеет такой же вид, как у двигателя последовательного возбуждения с той лишь разницей, что она сдвинута от начала координат на ток I0.

Скоростная характеристика имеет примерно такой же вид, как у двигателя последовательного возбуждения, но смещена влево на величину тока I0 .

При токе якоря, равном нулю, в двигателе остается магнитодвижущая сила параллельной обмотки ωш. Этот факт обеспечивает автоматический переход в генераторный режим. При этом ток якоря

изменяет свое направление, а ток в параллельной обмотке протекает в том же направлении, что и в генераторном режиме. В режиме торможения машина работает как генератор смешанного возбуждения со встречно включенными обмотками. Поэтому с повышением тормозного тока магнитный поток в машине будет уменьшаться, скорость значительно увеличится и будет приближаться к бесконечности при токе