13. Регулирование скорости поезда

Тяговые двигатели локомотива должны обеспечивать в широких пределах плавное регулирование скорости движения поезда. Для этого следует регулировать мощность двигателей. Согласно уравнению баланса мощности , это можно производить двумя способами: либо изменяя напряжение питания U тягового электродвигателя, либо изменяя силу тока J, потребляемого двигателем. На практике реализуются оба способа.

1 . Регулирование напряжения. Современные магистральные локомотивы для увеличения мощности имеют шесть или восемь электрических тяговых двигателей. Если все, например восемь двигателей электровоза, включить последовательно, то при напряжении на тяговой подстанции 3 кВ напряжение на каждом из них будет 375 В (рис. 13.1). Если переключить их в две параллельные группы по четыре в каждой (параллельно-последовательное соединение), то напряжение на каждом двигателе будет уже 750 В. Если двигатели переключить в четыре параллельные группы по два в каждой (параллельное соединение), то напряжение на каждом двигателе станет 1500 В.

Повышать напряжение более 1500 В на применяемых двигателях не рекомендуется во избежание пробоя изоляции. Таким образом, три ступени регулирования напряжения получаются достаточно большими, и у поезда будет только три скорости равномерного движения. Но и в этом случае нельзя напрямую включать и переключать двигатели, так как это приведет к скачкам напряжения. Так как активное сопротивление обмотки электродвигателя очень мало, то скачком вырастет вращающий момент сил якоря, и ведущее колесо закрутится на рельсе. Ток большой силы приведет к нагреву проводов и может привести к разрушению якорной обмотки двигателя силами Ампера. Поэтому для плавной регулировки силы тока, скорости движения, сглаживания рывков и толчков при переключении двигателей, применяют пусковой реостат.

2. Оценим сопротивление пускового реостата. Мощность тяговых двигателей магистрального локомотива составляет несколько МВт. При напряжении на подстанции U=3 кВ сила тока, согласно формуле мощности для подстанции , будет более тысячи ампер. При разгоне в режиме постоянной силы тяги сила тока должно поддерживаться постоянным по величине. При трогании поезда в момент пуска двигателей противо-ЭДС отсутствует и сила тока может быть ограничена только сопротивлением пускового реостата. По закону Ома сопротивление должно быть . Так как двигатели включены последовательно, то U=375 В , тогда сопротивление реостата должно быть около 2 – 3 Ом.

Реостат разделен на секции, что позволяет, комбинируя различные схемы соединения секций, получить около двадцати ступеней регулирования сопротивления реостата. Соответственно, становится возможным плавное регулирование мощности двигателей и скорости движения поезда. Но так как на реостате происходят потери электрической энергии, превращение ее в теплоту, то пользуются им кратковременно, только при разгоне в момент пуска двигателей и между переключением схем двигателей.

3. Определим максимально допустимый ток. Существуют ограничения на силу тока по нагреву двигателей, проводов, по мощности двигателей. Но более важным является ограничение по сцеплению колес с рельсами, с тем чтобы приложенный к колесам вращающий момент сил не вызвал буксования колес локомотива. Момент предельной силы тяги всех ведущих колес локомотива с рельсами относительно их осей равен , где D –диаметр ведущих колес, m –– масса локомотива, μ_сц – коэффициент сцепления колес с рельсами.

Момент электромагнитных сил, передаваемый через зубчатую передачу от якорей двигателей на колеса, увеличивается в n раз, где n –– передаточное отношение зубчатой передачи. Момент со стороны двигателя на колесе не должен превышать момента предельной силы сцепления М_двигn ≤ М_кол, Вращающий момент сил Ампера всех двигателей числом k при потреблении максимального тока равен , где Ψ =BSN – потокосцепление обмотки якоря одного двигателя. Из равенства моментов можно определить максимально допустимую силу тока в режиме движения при постоянной силе тяги

. 13.1

При максимальном токе потокосцепление близко к насыщению и примерно постоянно. Потому в режиме движения ограничения силы тяги по сцеплению, для поддержания постоянной предельной силы тяги, силу тока следует поддерживать постоянной, близкой к максимально допустимому значению. Для этого, согласно закону Ома для электрической железной дороги с увеличением противо-ЭДС при росте скорости движения поезда следует синхронно уменьшать сопротивление пускового реостата.

4. Регулирование мощности при разгоне. В момент начала движения поезда противо-ЭДС двигателей отсутствует. Пусковой реостат включен полностью. По двигателям протекает максимально допустимый ток. Якоря тяговых двигателей развивают максимально допустимый вращающий момент сил и поезд начинает движение с ускорением под действием предельной силы тяги ведущих колес. С началом вращения появляется противо-ЭДС якорных обмоток Е, сила тока по закону Ома начинает уменьшается. Это приводит к некоторому уменьшению силы тяги.

С корость поезда хотя и растет, но с уменьшающимся ускорением. В некоторый момент времени при некотором значении достигнутой скорости движения V₁ (рис. 12.2) и при уменьшившейся силе тяги F_min ≈ 0,95 F_сц машинист отключает одну ступень реостата. Но так, чтобы сила подскочившего тока не превысила предельного значения J_max . Иначе, при слишком раннем отключении ступени реостата, ток превысит максимально допустимое значение, момент электромагнитных сил Ампера превысит допустимое значение и начнется буксование колес. Если ступень реостата отключена вовремя, то сила тяги скачком поднимается от значения F_min до предельного значения силы сцепления F_сц, и ускорение опять возрастает. Скачок силы тяги воспринимается поездом как толчок. Скачок ускорения будет равен отношению скачка сил к массе поезда: . Из условия комфорта пассажирам и автосцепкам, так чтобы толчок был достаточно слабым, выбирается число ступеней регулирования пускового реостата (около 20). В идеальном случае их должно быть гораздо больше, тогда силу тяги можно сделать почти постоянной.

Эту операцию отключения секций реостата проводят до тех пор, пока реостат не будет полностью выведен (на рис. 13.2 показано 4 вместо 20 переключений). Если бы оставить последовательное включение двигателей, то движение перешло бы в режим постоянной мощности. Сила тяги с ростом скорости будет постепенно уменьшаться: , пока не сравняется с силами сопротивления движению. А скорость достигнет предельного значения V_посл.

Дальнейшее увеличение скорости возможно при переключении двигателей с последовательного соединения на последовательно-параллельное соединение. Но одновременно следует снова ввести реостат. Повторяются операции с отключением секций пускового реостата до их полного выведения и перехода на ступень параллельного соединения. Снова в режиме разгона при постоянной силе тяги повторяются операции отключения секций реостата. Дальнейшее увеличение скорости происходит в режиме постоянной мощности. Скорость в режиме движения с постоянной мощностью достигает значения V_паралл. На этом возможности увеличения скорости поезда за счет переключения двигателей и секций реостата исчерпаны.

5. Однако существует еще третья возможность увеличения силы тока, мощности и скорости движения поезда. Для этого параллельно катушке возбуждения включают индуктивный шунт (рис. 13.3). Общее сопротивление шунта и катушки возбуждение уменьшается, и сила тока через якорь возрастает. Называется эта операция «ослабление возбуждения».Хотя, если индукция магнитного поля была близка к насыщению, уменьшение силы тока через катушку возбуждения приводит к уменьшению индукции незначительно. Но зато ток в якорной обмотке возрастает за счет дополнительного тока через шунт, J=J_возб+J_ш. Момент сил якоря М_двиг=JBSN будет возрастать, если будет расти произведение возрастающей силы тока J якоря на уменьшающуюся индукцию В магнитного поля катушек возбуждения. Если индуктивный шунт имеет три ступени регулирования на каждую схему соединения двигателей (на рис. 12.2 показана одна, пунктир), то число скоростей равномерного движения поезда будет двенадцать.

Переключение токов в тысячи ампер при напряжении в тысячи вольт производится с помощью электромагнитных реле с силовыми электрическими контактами. Сами реле управляются токами, включаемых контактами контроллера машиниста от источника низкого напряжения (50 В).

5. КПД подстанции. П рименение пускового реостата и трех схем включения двигателей позволяет сэкономить электрическую энергию. Пусть, например, имеется всего одна схема включения двигателей – параллельная. Пусть в режиме движения поезда при ограничении силы тяги по сцеплению, сила тяги равна предельной силе сцепления и почти постоянна. Также остается постоянной сила тока J_max. Это достигается регулированием сопротивления реостата. За время разгона t₀ тяговая подстанция совершит работу, которая равна произведению мощности на время разгона: . На графике "мощность–время" работа подстанции равна площади прямоугольника с ординатой Р и абсциссой t₀ (рис. 13.4). Работа подстанции расходуется на полезную работу двигателей локомотива и на теплоту, выделяемую на пусковом реостате.

Полезная мощность локомотива равна произведению силы тяги на скорость, а при постоянном ускорении скорость пропорциональна времени разгона: . На графике P(t) это прямая линия, являющаяся диагональю прямоугольника. Полезная работа по графическому смыслу интеграла равна площади треугольника . Площадь треугольника в два раза меньше площади прямоугольника. Значит, в режиме разгона с одной схемой включения двигателей только половина работы тяговой подстанции превращается в механическую энергию поезда. Остальная работа превращается в теплоту на пусковом реостате. КПД режима разгона с одной схемой включения двигателей 50%.

Если используется три схемы включения тяговых двигателей, каждая со своим напряжением, то выделенная теплота будет равна площади трех заштрихованных треугольников, или трех маленьких прямоугольников (рис. 16.4). В то время как полная работа тяговой подстанции равна площади большого прямоугольника, или 16 маленьких. Тогда доля потерь будет равна 3/16, а КПД η =13/16 = 81,5%. Если бы схем включения двигателей было больше трех, то тепловые потери в режиме разгона при постоянной силе тяги были бы еще меньше.