CC BY
88
122
Общетехнические задачи и пути их решения
УДК 629.423.31
В. А. Баранов
ИМПУЛЬСНЫЕ РЕГУЛЯТОРЫ В ЦЕПЯХ ТЯГОВЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ ПРИ ПОСЛЕДОВАТЕЛЬНО-НЕЗАВИСИМОМ ВОЗБУЖДЕНИИ
Рассмотрена возможность использования статических преобразователей для реализации режима последовательно-независимого возбуждения тяговых двигателей. Приведены схемные решения и рассчитаны пульсации потребляемого тока.
электровоз, тяговый двигатель, статический преобразователь, импульсное регулирование.
Введение
Экономическая эффективность работы железнодорожного транспорта определяется уровнем эксплуатационных расходов, снижение которых является одной из важнейших задач. Для ее решения необходимо более эффективное использование технических средств, пропускной и провозной способности за счет увеличения массы поездов, что требует удлинения станционных путей и использования более мощных локомотивов.
Однако дальнейшее увеличение массы до значений унифицированной нормы зачастую ограничено силой сцепления. При этом на напряженных участках локомотивы работают в интенсивном режиме [1].
Повышения эффективности использования тяговых свойств электровозов можно достичь за счет увеличения жесткости тяговых характеристик электровоза.
Электровозы ВЛ10, ВЛ11, ВЛ15 практически полностью выработали свой ресурс, и увеличение объемов перевозок привело к достаточно сложной ситуации с обеспечением электровозами постоянного тока на сети дорог [2].
Магистральные электровозы, кроме того, используются и на промышленном транспорте. Однако они имеют малую осевую нагрузку (2325 тс/ось) и высокую расчетную скорость движения (около 50 км/ч в зависимости от серии).
Известны различные способы изменения жесткости характеристик тяговых двигателей [3], [4], [5]. В работе [6] предложено использовать подпитку обмоток возбуждения током якорей смежной параллельной ветви, что позволяет получить характеристики, идентичные характеристикам двигателей с независимым возбуждением. Данный способ соединения обмоток тяговых двигателей двух смежных групп между собой обеспечивает
2011/3
Proceedings of Petersburg Transport University
Общетехнические задачи и пути их решения
123
максимальный коэффициент возбуждения (при разомкнутой шунтирующей цепи):
Р = ^ _ 2, (1)
1 я 1 я
где /в - ток возбуждения, А;
/я - ток якоря, А.
Плавное регулирование сопротивления резистора в шунтирующей обмотке возбуждения цепи осуществляется статическим прерывателем VS [7], [9] (рис. 1). Ее общее сопротивление при непроводящем состоянии ключевого элемента определяется максимальным коэффициентом возбуждения рmax, равным 1,8, который обеспечивает защиту двигателей при кратковременном прекращении и последующем восстановлении питания. В результате установка индуктивного шунта не требуется.
Рис. 1. Упрощенная схема силовой цепи секции восьмиосного электровоза
Зависимости коэффициента регулирования возбуждения в от величины коэффициента заполнения X и коэффициента заполнения от тока якоря /я определяются выражениями [7]:
2гш _ 2( R1 + R 2 -Ш)
гш + 4 Rв _ R1 + R 2 - XR1 + 4 RB ,
(2)
где гш - сопротивление шунтирующей обмотки возбуждения цепи, Ом;
Re - сопротивление обмотки возбуждения тягового двигателя, Ом;
^_ 2/я(R1 + R2)-/в(R1 + R2 + 4RB)
R1(2/я - /в) '
На рисунке 2 приведены зависимости коэффициентов заполнения и регулирования возбуждения от тока якоря для заданных значений тока возбуждения 500 А, 600 А и 700 А.
При токе якоря, меньшем значения выбранной уставки тока возбуждения, прерыватель выключен и двигатели работают в режиме усиленного возбуждения при максимальном коэффициенте регулирования, равном 1,8. По мере увеличения тока якоря начинается увеличение коэффициента за-
ISSN 1815-588Х. Известия ПГУПС
2011/3
124
Общетехнические задачи и пути их решения
полнения прерывателя и уменьшение коэффициента возбуждения тяговых двигателей. Ток возбуждения поддерживается равным заданному во всем диапазоне изменения коэффициента заполнения. После достижения им значения, равного единице, происходит дальнейшее увеличение тока возбуждения. Коэффициент регулирования возбуждения при этом имеет минимальное значение 0,84, определяемое соотношением величин сопротивлений обмоток возбуждения и резистора R2.
Рис. 2. Зависимости коэффициентов регулирования возбуждения и заполнения от тока якоря при заданных значениях тока возбуждения
На рисунке 3 представлены тяговые характеристики электровоза ВЛ10У при постоянном токе возбуждения. Для сравнения на них нанесены характеристики последовательно-параллельного (СПшт) и параллельного (Пшт) соединений тяговых двигателей при работе в штатном режиме.
Размах пульсаций тока якоря при импульсном регулировании сопротивления шунтирующей цепи можно рассчитать, пользуясь эквивалентной схемой (рис. 4) при следующих допущениях:
- ток возбуждения в процессе перехода на характеристику ослабленного возбуждения не меняется;
- напряжение контактной сети постоянно;
- падение напряжение на ключевом элементе мало и не учитывается;
- включение и выключение ключевого элемента происходит мгновенно;
- падение напряжения на обмотках якоря постоянно;
- частота регулирования постоянна.
2011/3
Proceedings of Petersburg Transport University
Общетехнические задачи и пути их решения
125
Рис. 3. Тяговые характеристики модернизированного электровоза ВЛ10У
Рис. 4. Эквивалентная схема силовой цепи секции восьмиосного электровоза
После включения прерывателя VS при начальном токе якоря 1я0 в результате шунтирования резистора R1 в течение интервала времени суммарный ток якорей нарастает, стремясь к установившемуся значению /я max, определяемому активным сопротивлением цепи. После выключения VS и ввода в цепь резистора R1 ток спадает до величины /я min, причем это значение не может быть ниже первоначального значения /я0. Электромагнитная энергия, запасенная в индуктивности цепи якорей, состоящей из обмоток якорей, компенсационной и добавочных полюсов,
ISSN 1815-588Х. Известия ПГУПС
2011/3
126
Общетехнические задачи и пути их решения
L /
я я max
LI2.
я я min
= Icp ^ *2,
2
(4)
где Lя - индуктивность цепи якорей, Гн;
1ср - средний ток цепи якорей, А;
AU- падение напряжения на обмотках якорей;
А2 = T — At1 = - интервал непроводящего состояния ключевого
элемента преобразователя, с;
здесь T - период регулирования, с; f - частота регулирования, Гц.
Максимальный ток якорей
I = I +1 + А я
ятах я 0 ср ^
Минимальный ток якорей
I =I +I —Ак
я min я0 ср
(5)
(6)
Падение напряжения на обмотках якорей составляет 5-7 % от номинального напряжения двигателя. Примем эту величину при максимальном токе равной 100 В. После подстановки выражений (5), (6) в (4) и последующих преобразований получим суммарную величину пульсаций тока якорей обеих параллельных ветвей:
AI я
AU X (1 — X)
(7)
Индуктивность цепи якоря тягового двигателя можно приблизительно определить, пользуясь формулой Уманского:
L = k-U6i-
I•2п- P • n
0,25
1500•60
410•2я-3•830
= 0,0035 Гн,
(8)
где U - номинальное напряжение двигателя, В;
I - номинальный ток двигателя, А;
Р - число пар полюсов;
n - номинальная частота вращения, об/мин;
к = 0,25 (для машин с компенсационной обмоткой).
На рисунке 5 представлена зависимость амплитуды пульсаций тока якоря от величины коэффициента заполнения импульсного прерывателя.
2011/3
Proceedings of Petersburg Transport University
Общетехнические задачи и пути их решения
127
Рис. 5. Амплитуда пульсаций суммарного тока якорей при частоте 400 Гц
Как следует из рисунка 5, наибольшие пульсации будут при коэффициенте заполнения, равном 0,5. На рисунке 6 представлена огибающая амплитуд пульсаций тока якоря в зависимости от частоты регулирования.
Рис. 6. Огибающая амплитуд пульсаций тока якоря
Для исключения мешающего влияния импульсного прерывателя требуется установка входного индуктивно-емкостного фильтра, т. к. в соответствии с Нормами безопасности на железнодорожном транспорте [8]
ISSN 1815-588Х. Известия ПГУПС
2011/3
128
Общетехнические задачи и пути их решения
минимальное эффективное значение тока гармоники при непрерывном воздействии не должно превышать 0,2 А.
Значительной проблемой, определяющей эффективность независимого и смешанного возбуждения тяговых двигателей, является увеличение расхождения токов параллельных ветвей, обусловленное разностью диаметров бандажей колесных пар и характеристик самих двигателей, пропорциональное повышению жесткости характеристики. Для выравнивания токов якорей параллельных ветвей предлагается раздельное регулирование возбуждения каждой группы тяговых двигателей [10]. На рисунке 7 приведена упрощенная схема силовой цепи электровоза с импульсным регулированием сопротивления шунтирующих цепей.
Рис. 7. Упрощенная схема силовой цепи электровоза
Другим способом выравнивания токов является использование двухфазной схемы импульсного регулирования напряжения (рис. 8). При данном способе включения импульсных преобразователей существует возможность регулирования каждой группы якорей в отдельности.
2011/3
Proceedings of Petersburg Transport University
Общетехнические задачи и пути их решения
129
Рис. 8. Выравнивание токов якорей при помощи раздельного регулирования Заключение
Предложена методика определения пульсаций тока якоря тяговых двигателей в режиме последовательно-независимого возбуждения при импульсном регулировании сопротивления резистора шунтирующей обмотки возбуждения цепи.
Усиление возбуждения током якорей дает возможность увеличения силы тяги на 15-17 % при уменьшении расчетной скорости движения электровоза до 15 %.
Раздельное регулирование тока обмоток возбуждения каждой группы якорей позволит обеспечить равные значения их токов.
Библиографический список
1. Нестационарные режимы тяги / А. Л. Лисицын, Л. А. Мугинштейн. - М. : Интекст, 2003. - 343 с.
2. Тяговое обеспечение перевозочного процесса / А. Л. Лисицын, Л. А. Мугинштейн. - М. : Интекст, 1996. - 158 с.
3. Независимое возбуждение тяговых двигателей электровозов / А. Т. Головатый, И. П. Исаев, Е. В. Горчаков. - М. : Транспорт, - 1976. - 150 с.
4. Эффективность локомотивов с жесткими характеристиками / Н. Н. Меншутин, Г. В. Фаминский, Л. И. Монахов // Железнодорожный транспорт. -1984. - № 6. - С. 52-56.
5. Об эффективности внедрения смешанного возбуждения тяговых двигателей / А. Е. Пыров, Б. Д. Никифоров // Локомотив. - 2008. - № 10. - С. 30-32.
6. Улучшение тяговых свойств электровозов постоянного тока / В. А. Баранов // Вестник ВНИИЖТа. - 2008. - № 6. - С. 29-32.
7. Импульсное регулирование при последовательно-независимом возбуждении тяговых двигателей электровозов постоянного тока / В. А. Баранов // Вестник ВЭлНИИ. -2009. - № 2 (58). - С. 187-194.
8. НБЖТ ЦТ 04-98. Электровозы. Нормы безопасности.
9. Устройство регулирования скорости электроподвижного состава : пат. 86150 Рос. Федерация : МПК B 60 L 15/04 / Мазнев А. С., Баранов В. А.; № 2009117877/22; заявл. 12.05.09; опубл. 27.08.09, Бюл. № 24.
10. Устройство регулирования скорости электроподвижного состава : пат. 97302 Рос. Федерация : МПК B 60 L 15/04 / Баранов В. А., Мазнев А. С.; № 2010113639/11; заявл. 07.04.10; опубл. 10.09.10, Бюл. № 25.
ISSN 1815-588Х. Известия ПГУПС
2011/3
