7. Управление тяговыми электродвигателями в электрических передачах локомотивов

7.1. Управление тяговыми электродвигателями постоянного тока

Скорость вращения вала тягового электродвигателя постоянного тока зависит, в основном, от приложенного напряжения U_д и магнитного потока возбуждения Ф

n_д = (U_д – I_д·R_я)/C_е·Ф, (7.1.)

где С_е - машинная постоянная;

I_д - ток в цепи якоря тягового электродвигателя;

R_я - сопротивление обмотки якоря тягового электродвигателя.

Таким образом, тяговым электродвигателем постоянного тока можно управлять, изменяя U_д и Ф, а также путем включения в цепь якоря дополнительного сопротивления (последний способ в электрических передачах не применяется).

5.1.1. Управление тяговыми электродвигателями постоянного тока изменением напряжения

Напряжение на тяговом двигателе можно изменять, применяя различные схемы соединения самих тяговых двигателей (см. рис. 7.1.).

При последовательном соединении тяговых электродвигателей и тягового генератора можно ступенями изменять напряжение U_д путем переключения схемы соединения тяговых электродвигателей в параллельные группы с различным числом последовательно соединенных электродвигателей. Обычно ограничиваются двумя-тремя такими переключениями.

Рис. 7.1.Различные схемы соединения тяговых электродвигателей

7.1.2. Управление тяговыми электродвигателями постоянного тока изменением магнитного потока возбуждения

При последовательном возбуждении тяговых двигателей одновременно с изменением тока нагрузки I_д изменяется магнитный поток Ф, что обеспечивает некоторую степень саморегулирования, благодаря чему тяговые электродвигатели последовательного возбуждения широко применяют в электрических передачах локомотивов. Кроме этого, существует два основных способа изменения Ф: путем отключения части витков обмотки возбуждения тягового двигателя и путем шунтирования обмотки возбуждения. Последний широко применяется в электрических передачах тепловозов и электровозов.

Подключение параллельно обмотке возбуждения шунтирующего сопротивления приводит к ослаблению магнитного потока. Изменяя ступенями сопротивление шунтировки R_ш можно получить несколько ступеней ослабления магнитного потока. При этом коэффициент ослабления возбуждения

α = I_в / I_я = R_ш / (R_в + R_ш), (7.2.)

где I_в - ток в обмотке возбуждения;

I_я - ток в обмотке якоря;

R_в - сопротивление обмотки возбуждения;

R_ш - сопротивление шунтирующего резистора.

7.2. Электрическая передача с поосным регулированием касательной силы тяги

Переход от группового управления работой тяговых электродвигателей в электрических передачах к индивидуальному существенно упрощается с появлением на локомотивах бортовых микропроцессорных систем управления. Примером реализации этой задачи является микропроцессорная система поосного регулирования касательной силы тяги, структурная блок-схема которой приведена на рис. 7.3.

Основные принципы работы этой системы в части регулирования мощности дизель-генераторной установки в ней практически идентичны системе УСТА. Машинист рукояткой контроллера КМ задает скорость вращения вала дизеля, которая поддерживается объединенным регулятором скорости вращения вала и мощности дизеля за счет изменения выхода реек топливных насосов высокого давления h_р. Микропроцессорная система управления МСУ получает информацию о текущем положении реек топливных насосов высокого давления от специального датчика линейных перемещений или от штатного индуктивного датчика. В зависимости от соотношения заданного для данного положения рукоятки контроллера машиниста и фактического положения реек топливных насосов высокого давления МСУ корректирует ток возбуждения тягового синхронного генератора I_вг. При штатной схеме подключения всех тяговых электродвигателей к одной тяговой выпрямительной установке предполагается, что скоростные и нагрузочные характеристики тяговых электродвигателей идентичны. Однако, как свидетельствует опыт эксплуатации тепловозов и электровозов, характеристики отдельно взятых тяговых электродвигателей, установленных на одной секции локомотива, имеют существенные различия. Это приводит к существенному разбросу значений тока по отдельным тяговым двигателям, что, в свою очередь, вызывает разброс вращающего момента на их валах. Увеличение вращающего момента на валу отдельно взятого тягового электродвигателя способствует увеличению относительной скорости проскальзывания колеса относительно рельса.

При частичной или полной потере сцепления одной колесной пары (или нескольких колесных пар) необходимо снизить вращающий момент боксующей колесной пары (или нескольких боксующих колесных пар), а на всех остальных сохранить его неизменным или увеличить для сохранения суммарной касательной силы тяги локомотива.

Практически все схемы противобоксовочной защиты современных тепловозов ликвидируют обнаруженное боксование путем снижения тока возбуждения тягового генератора. Такой способ защиты от боксования приводит к недоиспользованию мощности дизель-генератора, особенно при боксовании одной колесной пары. При индивидуальном регулировании напряжения, подводимого к каждому тяговому электродвигателю, имеется возможность сохранения суммарного значения касательной силы тяги локомотива. В этом случае напряжение на тяговых двигателях небоксующих колесных пар не только не снижается, но и может повышаться. При этом ток возбуждения тягового генератора изменяется таким образом, чтобы сохранить неизменной отбираемую от дизеля мощность.

В системе поосного регулирования касательной силы тяги при отсутствии боксования мощность, подведенную к тяговым электродвигателям, регулируют так же, как и при штатном исполнении схемы, т.е. посредством изменения тока в обмотке возбуждения тягового генератора в зависимости от соотношения заданного и фактического положения реек топливных насосов высокого давления. При возникновении боксования напряжение на тяговом электродвигателе боксующей колесной пары автоматически снижается, что препятствует увеличению скорости вращения колесной пары. Такая возможность предусмотрена электрической передачей, в которой каждый тяговый электродвигатель (ТЭД1 – ТЭД6) подключен к тяговому генератору через индивидуальный управляемый выпрямительный мост (УВМ1 – УВМ6) (рис. 7.3). Для измерения скорости вращения колесных пар использованы датчики (Тх1 – Тх6).