Способы регулирования скорости движения транспортных средств

Применение на транспортных средствах в качестве источника механической энергии тяговых электрических двигателей позволило исключить такое неприятное явление, присущее приводам с тепловыми двигателями, как кратковременная потеря тягового усилия на ободе колеса, возникающая при согласовании скорости вращения колеса со скоростью приводного мотора за счет изменения передаточного числа редуктора. Возможность использовать редуктор с постоянным передаточным отношением появилась как результат того, что электрическая машина способна изменять скорость вращения вала якоря (ротора) в диапазоне от нуля до максимальной величины. В приводах с тепловыми двигателями диапазон изменения скоростей вращения невелик, что и привело к необходимости изменять передаточное число редуктора по мерс разгона транспортного средства.

Регулирование скорости транспортного средства — более важный фактор по сравнению с регулированием тока и момента, поскольку именно скорость определяет в конечном итоге время движения по перегону и соблюдение графика движения.

В настоящее время используются все способы регулирования скорости вращения вала тягового двигателя, которые применительно к машинам постоянного тока сводятся:

• • к изменению питающего напряжения;
• • изменению величины магнитного потока в машине;
• • изменению сопротивления в цепи якоря машины.

Действительно, если воспользоваться соотношением (3.6) и с помощью приведенных выше соотношений между скоростью подвижного состава и угловой скоростью вала двигателя перейти к зависимости линейной скорости экипажа от параметров машины, можно достаточно просто получить выражение.

где U — подведенное к двигателю напряжение;

/- протекающий по цепи якоря ток машины; г сопротивление цепи якоря; с — постоянная машины;

Ф — величина потока машины.

До появления силовой полупроводниковой техники изменения подаваемого на двигатель напряжения добивались включением в цепь якоря дополнительного сопротивления, которое скачкообразно уменьшали по мере разгона подвижного состава, т. е. фактически использовали третий способ регулирования — реостатный пуск. При этом выражение (7.1) имело вид.

где R — добавочное сопротивление.

Применение полупроводниковых регуляторов обеспечило плавное увеличение подводимого к цепи двигателя напряжения, что позволило исключить возникновение такого явления, как пробуксовка колес, вызываемая скачкообразным ростом тока в цепи якоря, а следовательно, и тягового усилия, которые и приводили к временной потере сцепления колес с путевой структурой (на рельсовом транспорте).

На рис. 7.1 показаны схемные решения, обеспечивающие реализацию перечисленных способов изменения скорости подвижного состава. На рис. 7.1, а приведена схема силовых цепей аккумуляторного подвижного состава, позволяющая повышать питающее тяговый двигатель напряжение посредством механического коммутатора S. При этом в каждом новом положении ключа разгон осуществляется по характеристике полного поля (ПП), соответствующей величине питающего напряжения (см. зависимости v (/). Скорости движения в каждый момент времени может быть определена по выражению (7.1).

Рис. 7.1. Способы регулирования скорости подвижного состава.

На рис. 7.1, б показана схема силовых цепей подвижного состава, питающегося от централизованного источника с постоянной величиной питающего напряжения. Напряжение на двигателе регулируется за счет изменения величины резистора /?, включенного последовательно с ним. Полученные в результате введения в цепь двигателя резистора характеристики называются реостатными. Разгон по ним, как и в предыдущем случае, осуществляется при полном поле машины. Самый значительный недостаток такого схемного решения — наличие потерь энергии в резисторе при пуске, достигающих половины от потребленной из сети. Скорость движения в каждый момент времени может быть рассчитана по выражению (7.2).

Оба рассмотренных варианта имеют один общий недостаток, проявляющийся в скачкообразном изменении тягового усилия при переходе с позиции на позицию, что негативно сказывается на комфортности перевозок пассажиров, особенно при небольшом количестве промежуточных позиций.

На рис. 7.1, в приведена схема силовых цепей подвижного состава, питающегося от централизованного источника через электронный ключ, позволяющий достаточно плавно изменять величину питающего двигатель напряжения. Высокая частота регулирования (до 1 кГц и выше) позволяет получить небольшую пульсацию тока, а следовательно, и тягового усилия при разгоне. Скорость движения в каждый момент времени может быть определена по выражению (7.1), в котором напряжение на двигателе в каждый момент времени рассчитывается на основе соотношения.

где X — коэффициент заполнения регулятора;

/" время импульса (подключения двигателя к источнику питания); /рсг — частота регулирования.

Скорость движения транспортного средства регулируется посредством изменения потока машины после выхода на автоматическую характеристику полного поля с помощью шунтирования обмотки последовательного возбуждения либо введением добавочного резистора в цепь обмотки параллельного возбуждения. На рис. 7.1, г показана схема ослабления поля шунтированием обмотки возбуждения. Скорость движения в каждый момент времени может быть рассчитана на основе выражения (7.1), в котором величину потока можно определить с достаточной степенью точности по основе соотношения.

где Ф, — величина потока на /-й позиции ослабления поля; г_а- сопротивление обмотки возбуждения;

R — шунтирующее сопротивление на /-й позиции ослабления поля; Ф — величина потока машины, соответствующая полному полю.

В некоторых случаях использовалось разбиение обмотки возбуждения на несколько секций, которые затем переключались в определенном порядке. На рис. 7.2 показана принципиальная электрическая схема силовых цепей двигателя, в которой реализуется данный способ ослабления поля машины. При количестве витков первой секции обмотки возбуждения, в два раза большем, чем количество витков второй секции (w ~ 2>v), эта схема позволяет ослабить поле до 33,3% тремя ступенями (см. таблицу) На первой позиции ослабления поля ОП1 включается контактор КМ2 и выключается контактор КМ1. Выводится.

вторая секция обмотки возбуждения. При этом, а = — (66,6%). На второй позиции ОП2 контактором КМЗ обе секции обмотки включаются параллельно. Сопротивления секций обмотки можно принять пропор;

Г2УО 4.

циональными числу их витков. Тогда, а = 2 — — =— (44,4%).

Ь)Ь) 9.

На третьей позиции ОПЗ контактором КМ2 отключается первая секция обмотки и получается сх = - (33,3%).

Рис. 7.2. Ослабление поля переключением частей обмотки возбуждения.

Рассмотренные способы регулирования скорости подвижного состава относились к транспортным средствам, тяговый привод которых содержит один тяговый двигатель. Вместе с тем подавляющее большинство подвижного состава рельсового транспорта оборудовано несколькими тяговыми приводами, электрическая часть которых объединена и представляет собой цепь из последовательно включенных электрических машин. В связи с этим возникает необходимость рассмотреть схемотехнические решения, обеспечивающие ре^лирование скорости в многодвигательных приводах.

Способы регулирования скорости в таких приводах аналогичны способам регулирования в однодвигательных транспортных средствах, но схемотехническое решение существенно иное. Наличие в силовых цепях электрической части привода нескольких двигателей позволяет регулировать скорость комбинированием различных способов.

Рассмотрим, каким образом регулируется скорость, на примере двухдвигательного подвижного состава с реостатным пуском.

На подвижном составе, имеющем несколько тяговых электродвигателей, возможны их различные группировки: последовательная, последовательно-параллельная, параллельная.

С целью экономии энергии и получения дополнительных ступеней экономичного регулирования скорости двигатели при пуске часто перегруппировывают. На электрическом подвижном составе городского транспорта применяется обычно только одно переключение двигателей. При этом двигатели включаются в две одинаковые группы, которые в начале пуска соединяются между собой последовательно, а затем (после достижения определенной скорости) — параллельно. В этом случае потери электроэнергии в пусковых реостатах снижаются примерно в два раза.

На рис. 7.3 показана принципиальная электрическая схема цепей подвижного состава с двумя двигателями, номинальное напряжение которых равно напряжению источника питания, позволяющая выполнять их перегруппировку' методом короткого замыкания. Для пояснения переключений воспользуемся табл. 7.2.

В соответствии с таблицей замыканий на первой переходной позиции в цепь из двух последовательно включенных двигателей вводится резистор, предотвращающий бросок тока в цепи двигателя Ml, который произошел бы на следующей переходной позиции после закорачивания двигателя М2. На третьей переходной позиции происходит размыкание цепи закороченного двигателя М2, а на последней переходной позиции подключение его к источнику питания через пусковой резистор. На первой позиции параллельного включения производится запараллеливание между собой двигателей и пусковых резисторов.

Рис. 7.3. Схема силовых цепей двухдвигательного подвижного состава.

Таблица 7.2.

Таблица замыканий коммутационных аппара т".

Кривые токов (/|, /₂), магнитных потоков (Ф_ь Ф₂) и силы тяги F подвижного состава на каждой из позиций показаны на рис. 7.4, а, зависимости U (I) и F (I)> поясняющие принцип построения, — на рис. 7.4, б. Построение приведено для случая равенства токов двигателей на последней позиции последовательного и первой позиции параллельного их соединения.

Рис. 7.4. Кривые изменения потоков, токов и тяговых усилий двигателей при перегруппировке коротким замыканием.

На последней позиции последовательного соединения (J_lttn = 2U_M] (точка а). При этом / - ток в двигателях и F — сила тяги каждого двигателя. На переходной позиции nl U_nttJ ~ 2U_M] — IR (точка б)> ток и сила тяги каждого двигателя соответственно /_п) и F_n]. На позициях п2 и пЗ после завершения переходного процесса ток и сила тяги в первом двигателе — / и F (точка в). Снижение тока и силы тяги в процессе перехода зависит от насыщения ТЭД. При увеличении насыщения наклон криволинейной части кривых напряжений на двигателях уменьшается, а ток и сила тяги снижаются; уменьшение насыщения приводит к обратным результатам.

Появление на второй переходной позиции тормозного тока объясняется тем, что поток в закороченном двигателе не упал до нуля, а вращение якоря вызвало появление ЭДС, под действием которой ток изменил направление. Все это привело к незначительному тормозному эффекту.

Переход способом короткого замыкания можно применять только для двигателей с последовательным возбуждением; при коротком замыкании двигателей смешанного возбуждения возникает недопустимой величины генераторный ток.

Описанный способ перехода применяли в схемах трамвайных вагонов с непосредственным управлением при небольших ускорениях вагонов.

Для иллюстрации принципа перехода шунтированием одной группы двигателей может быть использована схема цепей (рис. 7.3) с порядком замыкания контакторов, приведенным в табл. 7.3.

Таблица 7.3.

Таблица замыканий коммутационных аппаратов при перегруппировке шунтированием.

На первой переходной позиции п1 выключением контактора КМ1 подготавливается для последующего включения резистор R. При этом ток и сила тяги двигателей не изменяются. На второй переходной позиции п2 включается контактор КМ7, в результате чего тяговый двигатель Ml шунтируется резистором R. Па третьей переходной позиции пЗ выключаются контакторы КМЗ и КМ5, при этом шунтированный Ml отключается. На четвертой переходной позиции п4 включается контактор КМ6, присоединяющий Ml к источнику питания через резистор R.

На первой позиции параллельного соединения включается уравнительный контактор КМ4 и токи и двигателях выравниваются независимо or различия номинальных значений сопротивлений R. Переходные процессы в двигателях при их переключении протекают достаточно быстро, и поэтому без больших погрешностей можно допустить, что на каждой переходной позиции ток и сила тяги успевают достичь установившихся значений.

Зависимость напряжения на двигателях от тока нелинейная, поэтому диаграммы токов и силы тяги при переходе удобно строить графоаналитическим методом. Графическое построение для определения установившихся значений токов и тяговых усилий показано на рис. 7.5, а. Построение выполнено для случая равенства тока и силы тяги каждого двигателя на последней позиции последовательного соединения и первой позиции параллельною соединения. На последней (безреостатной) позиции последовательного соединения электродвигателей ток / = 1 определяется точкой а, в которой U" = U_m2. На второй переходной позиции величина протекающего в цепи двигателя М2 тока I = 1₂ определяется точкой б, где пересекаются кривые ₂ и U_M + IR. При этом ток в двигателе Ml определяется точкой в кривой С/_м1. Соответствующие точкам бив тяговые усилия двигателей равны F₂hF.

На третьей переходной позиции пЗ ток в М2 определяют по точке пересечения кривой U_m2 с прямой U^ - IR (точка а). Ток в двигателе М1 при этом равен нулю.

Рис. 7.5. Кривые изменения потоков, токов и тяговых усилий двигателей при перегруппировке шунтированием.

На четвертой переходной позиции п4 токи и силы тяги в каждом двигателе определяют по точке пересечения кривой U_u2 с прямой U_M| IR (точка а). В случае неравенства величин сопротивлений пусковых резисторов R должны быть построены прямые U_nm-IR и U_nm- — IR2 и по точке пересечения их с кривой U_M2 определены установившиеся токи в двигателях.

По полученным установившимся значениям токов и сил тяги на рис. 7.5 сплошными линиями построены диаграммы токов и силы тяги для обоих двигателей.

Благодаря влиянию индуктивностей обмоток токи и сила тяги изменяются, но времени. Однако переходные процессы протекают достаточно быстро и обычно быстрее времени переключения аппаратов с одной позиции на другую. Поэтому ток и сила тяги на каждой переходной позиции успевают достигать установившихся значений.

Как видно из диаграммы, изображенной на рис. 7.5, б сплошными линиями, снижение силы тяги происходит только на позиции пЗ. На позиции п2 сила тяги получается даже несколько большей, чем в начале и в конце перегруппировки двигателей. Указанный в табл. 7.3 порядок переключения контакторов допустим только в случае, когда переход совершается при токе, значительно меньшем максимального тока двигателя, т. е. тогда, когда на позиции п2 ток /₂ не превосходит максимальный ток, допустимый по условиям коммутации, и когда сила тяги не превосходит допустимую силу по условиям сцепления. Так же, как при переходе коротким замыканием, на максимальное значение тока влияет насыщение магнитной системы ТЭД. При малых насыщениях максимум тока /₂ уменьшается.

В том случае, когда переключение двигателей может производиться при силе тяги, близкой к предельной по условиям сцепления, или при токе, близком к максимальному по условиям коммутации, переключение контакторов в цепях, показанных на схеме рис. 7.3, должно быть выполнено в соответствии с табл. 7.4.

Расчет установившихся значений токов при коммутации цепей двигателей выполняется, как и в предыдущих случаях, графоаналитическим методом и предлагается читателю для самостоятельной проработки.

Диаграммы токов и силы тяги для этого случая приведены на рис. 7.5 пунктирной линией.

В обоих случаях переходные процессы при перегруппировке двигателей протекают более плавно и с меньшим снижением силы тяги, чем при перегруппировке с коротким замыканием двигателя. Однако схема пусковых реостатов при переходе шунтированием обычно получается сложнее, требуется несколько больше контактов и секций реостатов, хотя количество переходных контакторов одинаково. Это объясняется тем, что при переходе пусковые реостаты должны состоять из двух примерно одинаковых групп. Поэтому, чтобы не усложнять схему пусковых реостатов, иногда для шунтирования двигателя устанавливают отдельные (шунтирующие) резисторы.

Таблица 7.4.

Таблица замыканий коммутационных аппаратов при перегруппировке шунтированием при максимальных токах.

Этот способ перегруппировки тяговых двигателей широко применяется в схемах магистральных электровозов постоянного гока в схемах некоторых трамвайных вагонов. В принципе этот способ перегруппировки применим также в схемах с тяговыми двигателями смешанного возбуждения.

Шунтирование при переходе может применяться и для обеих групп двигателей. Принципиальная схема такой перегруппировки показана на рис. 7.6.

Порядок замыкания контакторов при переходе приведен в табл. 7.5.

Пусковые реостаты состоят из двух изолированных групп R1 и /?2, каждая из которых в свою очередь состоит из ряда секций. В группу R2 включаются секции первых ступеней, имеющих большое сопротивление. Поэтому для получения требуемой величины сопротивления R2 в эту группу обычно достаточно ввести первые две ступени. R1 состоит из значительно большего количества ступеней.

Рис. 7.6. Схема силовых цепей двухдвигателыюго подвижного состава при перегруппировке шунтированием обоих двигателей.

Таблица 7.5.

Таблица замыканий коммутационных аппаратов при перегруппировке шунтированием обоих двигателей

На первой переходной позиции п1 выключением контакторов КМ2 и КМЗ в цепь двигателей вводятся обе группы сопротивлений (/?1 и R2). Происходит уменьшение тока и силы тяги двигателей. На второй переходной позиции п2 включаются контакторы КМ5 и КМ6. При этом оба тяговых электродвигателя и сопротивление R2 включаются между собой параллельно. Ток и сила тяги двигателей по сравнению с позицией п! возрастают. На следующей позиции выключается контактор КМ4, отключающий сопротивление R2, и процесс переключения двигателей заканчивается. Происходит дальнейшее повышение тока и силы тяги двигателей, так как уменьшается падение напряжения на сопротивлении R1.

Достоинство этого способа перегруппировки по сравнению с ранее рассмотренными в том, что оба двигателя работают в одинаковых условиях и качество переходных процессов в них улучшается. Это преимущество особенно важно для схем с двигателями смешанного возбуждения, где на переходные процессы оказывают большое влияние н.с. обмоток параллельного возбуждения.

Существенный недостаток этого способа состоит в том, что на первой переходной позиции п1 в цепь приходится вводить все пусковое сопротивление. Поэтому снижение тока и силы тяги на позиции п1 получается большим, чем в ранее рассмотренных способах. Кроме того, на позиции п2 потребляется большой ток из контактной сети и резистор/?! перегружается.

Принцип перехода по схеме моста поясняется с помощью рис. 7.7 для двух ТЭД. В действительности вместо каждого ТЭД может быть поставлена группа двигателей, включенных между собой последовательно или параллельно. Сопротивления R и R2 обычно одинаковы по величине, и каждое состоит из ряда секций, т. е. самостоятельного реостата. Поэтому контакторов и секций реостатов здесь, как правило, требуется больше, чем при переходах способом короткого замыкания и шунтирования.

Рис. 7.7. Схема силовых цепей двухдвигательного подвижного состава при перегруппировке по способу моста.

При последовательном соединении двигателей замкнуты контакторы КМ1 и КМЗ, а после выведения всех сопротивлений включается контактор КМ4 и выключается контактор КМЗ.

На переходной позиции одновременно замыкаются контакторы КМ2 и КМ5. При этом двигатели соединяются с сопротивлениями R1 и R2 по схеме моста. Переход заканчивается выключением контактора КМ4.

Графическое построение для определения установившихся значений токов и тяговых усилий показано на рис. 7.8, где кривая 1 — это скоростная характеристика последней (безреостатной) позиции при последовательном соединении двигателей, а кривая 2 — реостатная характеристика первой позиции при параллельном соединении двигателей. При R1 = R2 = R через уравнительное соединение моста (контактор КМ4) протекает разность токов /_м и /* = U_nilJ/(2R). Если переход происходит при /_м = /д, то в процессе перехода сила тяги и ток остаются постоянными. На рис. 7.8 это условие соответствует току /_мь при котором происходит пересечение характеристик / и 2 (точка а). Переход при токе /_м2 > /_м, (точка б) сопровождается снижением тока и силы тяги после перехода до величины соответственно /"2 и F'_M2. Наоборот, переход при токе /_м3 < /_мi (точка в) сопровождается повышением тока и силы тяги до величины соответственно Г_мз и F'_m3. Отсюда видно, что переход без изменения силы тяги происходит только при одном определенном токе.

Рис. 7.8. Изменение тока и силы тяги при перегруппировке по способу моста.

Метод перехода мостом требует большего количества контактов, но дает лучшие результаты по плавности процесса пуска по сравнению со всеми предыдущими методами. Он получил широкое применение на подвижном составе с автоматическим управлением, обеспечивающим относительно высокие ускорения, так как в этом случае переход можно осуществить при определенном токе без снижения силы тяги.