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 на двигателе, к скачкам силы тока. Скачком вырастет вращающий момент сил якоря, и ведущее колесо может закрутиться 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 постоянной 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 при переключении способа соединения двигателей.

3. Определим максимально допустимый ток. Существует ограничение на силу тока по сцеплению колес с рельсами, с тем чтобы приложенный к колесам вращающий момент электромагнитных сил якоря не вызвал буксования колес локомотива. Момент предельной силы тяги со стороны рельсов одной колесной пары равен , где D –диаметр круга катания колес, –сила тяжести локомотива, приходящаяся на одну колесную пару, μ_сц – коэффициент сцепления колес с рельсами, k – число колесных пар локомотива или число тяговых двигателей.

Момент электромагнитных сил якоря, передаваемый через зубчатую передачу на колесную пару, увеличивается в n раз, где n –– передаточное отношение зубчатой передачи. По закону динамики вращательного движения колесной пары вращение колесной пары происходит под действием вращающего момента сил якоря и противодействующего момента сил со стороны рельса. Ускорение колес, за исключением буксования, не бывает большим и инерционным членом можно пренебречь. Тогда момент электромагнитных сил почти равен моменту предельной силы сцепления: М_якоряn = М_кол, . Вращающий момент электромагнитных сил якоря при потреблении максимального тока равен , где Ψ =BSN – потокосцепление обмотки якоря двигателя. Из равенства моментов можно определить максимально допустимую силу тока в режиме движения при предельной силе тяги

. 13.1

При максимальном токе потокосцепление близко к насыщению и примерно постоянно. Потому для поддержания постоянной предельной силы тяги, силу тока через двигатель 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 ε, сила тока по закону Ома начинает уменьшается. Это приводит к некоторому уменьшению силы тяги.

Скорость поезда хотя и растет, но с уменьшающимся ускорением. В некоторый момент времени при некотором значении достигнутой скорости движения V₁ (рис. 13.2) 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 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, иначе сила тока скачком увеличится сразу в два раза. Повторяются операции с отключением секций пускового реостата до их полного выведения. Снова вводят реостат и переходят на параллельное соединение двигателей. 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. Возможно три значения скорости равномерного движения.

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. Момент сил якоря М_якоря=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 тока низкого напряжения (50 В).

5. КПД подстанции. Применение 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, которое должно быть много больше обычного. 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.

П олезная 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.

Контрольные вопросы

1. Как изменяется суммарная сила тока тяговых двигателей локомотива при переключении трех схем соединения восьми тяговых двигателей локомотива, если в режиме разгона сила тяги колес постоянна?

2. Если у локомотива шесть тяговых двигателей, то какие схемы соединения тяговых двигателей возможны? В каком соотношении находятся предельные значения сил токов локомотива?

3. Как изменяется суммарная сила тяги и потребляемая мощность локомотива в режиме ограничения по сцеплению колес при увеличении скорости движения поезда.

4. По какому закону изменяется сила тяги локомотива в режиме движения при постоянной мощности? Как при этом изменяется сила потребляемого тока?

5. Запишите закон Ома для электрической железной дороги в первый момент трогания поезда.

6. Запишите уравнение для скорости равномерного движения поезда в режиме при постоянной мощности двигателей.

7. Почему шунт катушки возбуждения в режиме «ослабления возбуждения» должен обладать индуктивностью? Почему не применить простой реостат?

8. Зависит ли противо-ЭДС якорной обмотки от силы тока, потребляемого коллекторным двигателем?

9. Что произойдет, если машинист вместо одной ступени пускового реостата отключит сразу две?

10. Что произойдет, если машинист вместо отключения ступени реостата повернет контроллер в обратную сторону и добавит сопротивление реостата?

11. Определите КПД тяговой подстанции в режиме разгона при постоянной силе тяги, если локомотив имеет шесть тяговых двигателей.

12. Определите КПД тяговой подстанции в режиме разгона при постоянной силе тяги, если трамвай имеет один тяговы1 двигатель.

13. Сколько значений скорости равномерного движения имеет троллейбус с одним тяговым двигателей? Как регулируется скорость движения?

14. Сколько значений скорости равномерного движения имеет поезд, если у локомотива шесть тяговых двигателей и три ступени ослабления возбуждения?

15. Плоскость витка якорной обмотки параллельна силовым линиям магнитного поля катушек возбуждения. По витку протекает электрический ток. Как направлено магнитное поле витка?

16. Как направлено магнитное поле электрического тока якорной обмотки по отношению к магнитному полю катушек возбуждения?

17. Пусть пусковой реостат состоит из трех резисторов с разными сопротивлениями. Сколько ступеней регулирования может иметь такой реостат?

18. Сопротивления обмоток тягового электродвигателя равно 0,02 Ом. Если включить тяговые двигатели локомотива при параллельном соединении без пускового реостата к подстанции, то какой ток потечет по обмоткам?

19. По какому закону уменьшается сила тяги локомотива при движении с постоянной мощностью двигателей? Почему с ила тяги уменьшается?

20. При движении поезда при разгоне началось буксование колес локомотива. Каковы возможные причины буксования? На что тратится работа тяговой подстанции?