Раздел 3. Пуск и регулирование скорости подвижного состава.

Тема 3.1. Способы пуска подвижного состава.

Условия пуска; плавный реостатный пуск; ступенчатый реостатный пуск; выбор пускового тока; диаграмма ступенчатого пуска; энергетика пуска.

Литература [1], [3].

Методические указания

Учитывая, что для электрического городского подвижного состава характерны частые остановки с последующими пусками, параметры пускового периода необходимо выбирать так, чтобы обеспечивались наиболее экономичные и безопасные условия его работы.

При изучении данной темы учащиеся должны знать (и уметь обосновать целесообразность применения той или иной) системы пуска:

· плавный реостатный пуск, при котором в течение всего времени пуска поддерживается неизменный пусковой ток;

· ступенчатый реостатный пуск;

· безреостатный пуск, который осуществляется с помощью импульсных преобразователей.

При плавном реостатном пуске последовательно с двигателем включается пусковой реостат. Для поддержания неизменным пускового тока необходимо плавно выводить пусковой реостат по мере увеличения скорости.

Плавным регулированием сопротивления пускового реостата обладают системы пуска с многокулачковыми или коллекторными контроллерами, с угольными реостатами. Т.к. плавное регулирование пускового реостата связано с усложнением системы управления, то на электроподвижном составе применяется ступенчатое выведение пускового реостата.

При ступенчатом реостатном способе пуска уже невозможно поддерживать постоянным пусковой ток I_п, а, следовательно, пусковое ускорение а_п и пусковую силу тяги F_п. Они будут изменяться в некоторых пределах от максимума до минимума. Во время разгона ПС на какой-либо ступени реостата с неизменным сопротивлением ток начнет уменьшаться, т.к. будет возрастать ЭДС по характеристике, соответствующей данной ступени реостата. В момент выключения ступени реостата происходит переход с одной скоростной характеристики на другую, которая соответствует меньшему значению сопротивления пускового реостата. В результате этого резко возрастает ток двигателя.

При изучении данной темы учащиеся должны рассмотреть процесс пуска для одного двигателя при постоянном пусковом токе и следующих допущениях:

· магнитные и механические потери в двигателе малы и ими можно пренебречь,

· сопротивление движению при пуске постоянно.

Вопросы для самоконтроля

1. Почему необходимо включать пусковой реостат?

2. Какие системы пуска вы знаете?

3. Как выбрать значение расчетного пускового тока?

4. Какие способы уменьшения потерь в пусковых реостатах вы знаете?

Тема 3.2. Регулирование скорости.

Общие сведения; способы регулирования: изменения напряжения на зажимах двигателя, включения последовательно с двигателями регулируемого резистора сопротивлением; изменение магнитного потока СФ.

Литература [1].

Методические указания

Скорость двигателя можно регулировать тремя способами:

1. Изменением напряжения на зажимах двигателя;

2. Включением последовательно с двигателями регулируемого резистора сопротивлением;

3. Изменением магнитного потока.

Изменение напряжения на зажимах тягового двигателя при заданном напряжении контактной сети можно осуществить различными путями. На ГЭТ нашли применение переключения тяговых двигателей с последовательного на параллельное соединение; использование импульсного регулирования.

Последовательно-параллельное переключение тяговых двигателей – достаточно экономичный способ и не требует сложного дополнительного оборудования. Однако он обладает следующими недостатками:

· отсутствие плавного регулирования скорости,

· наличие значительного числа коммутационной аппаратуры,

· при последовательном соединение двигателей – мягкие тяговые характеристики, что способствует боксованию.

В настоящее время применяются способы регулирования напряжения с помощью статических полупроводниковых преобразователей на ПС. Наиболее целесообразным является использование тиристорных импульсных регуляторов. В этом случае напряжение контактной сети прикладывается к импульсному регулятору, на выходе которого получается регулируемое в широких пределах напряжение, которое подводится к тяговым двигателям.

При изучении темы необходимо научиться рассчитывать характеристики двигателей при изменении сопротивления реостата.

Вопросы для самоконтроля

1. Какие переключения тяговых двигателей нашли применение на городском электрическом транспорте?

2. Во сколько увеличивается напряжение, приложенное к двигателю, при последовательно-параллельном соединение двигателей?

Тема 3.3. Характеристики двигателей при изменении напряжения.

Расчёт характеристик двигателей последовательного возбуждения; расчёт характеристик при изменении сопротивления реостата.

Литература [1], [3].

Методические указания

Если для двигателей последовательного возбуждения имеются характеристики при номинальном напряжении, их можно пересчитать на другое напряжение. Для этого необходимо иметь характеристику зависимости магнитного потока от тока.

При регулировании напряжения на зажимах двигателя смешанного возбуждения пересчет характеристик производится таким же способом, как и у двигателей последовательного возбуждения, если ток в параллельной обмотке возбуждения не изменяется.

Учащийся должен знать, что такой способ для длительного регулирования скорости применяется редко, т.к. он обладает существенными недостатками:

· Значительные потери энергии в реостате,

· Скоростные характеристики получаются мягкими, что увеличивает вероятность возникновения боксования.

Как правило, такой способ регулирования применяется в сочетание с перегруппировкой двигателей.

Вопросы для самоконтроля

1. Как влияет на регулирование скорости включение последовательно с тяговым двигателем регулируемого реостата?

2. Как изменяется падение напряжения на сопротивлении реостата по мере возрастания нагрузки?

3. Какими недостатками обладает данный способ регулирования скорости?

Тема 3.4. Характеристики двигателей при изменении возбуждения.

Способы изменения ; характеристики двигателя смешанного возбуждения при изменении возбуждения.

Литература [1], [3].

Методические указания

У двигателей последовательного возбуждения изменение возбуждения можно осуществить различными способами:

· шунтированием обмотки возбуждения;

· секционированием обмотки возбуждения;

· регулирования возбуждения с помощью специального возбудителя;

· импульсным регулированием возбуждения.

Принципиальная схема шунтирования обмотки возбуждения представлена на рис.1.12. В этом случае параллельно обмотке возбуждения ОВ подключается регулируемый реостат R_ш. Индуктивный шунт ИШ служит для сглаживания бросков тока при резком изменении напряжения в контактной сети. Если правильно подобран шунтирующий контур, то всегда сохраняется равенство:

L_ов/r_ов»L_иш/R_иш

При нормальном возбуждении контактор Р разомкнут, и ток якоря I равен току возбуждения I_в. Для ослабления возбуждения контактор Р замыкается, и через обмотку возбуждения ОВ будет протекать только часть тока якоря I_в=I-I_ш. Следовательно, уменьшится магнитный поток СФ и увеличится скорость. Этим способом можно получить необходимое число ступеней ослабления возбуждения.

При секционировании обмотки возбуждения изменение возбуждения осуществляется отключением части обмотки возбуждения путем включения контактора Р2 (рис.1.13). Этот способ не получил распространения, т.к. имеет ряд существенных недостатков:

·усложнение конструкции тягового двигателя, связанное с изготовлением отпаек на обмотке возбуждения;

·наличие такого переходного момента, когда замкнуты оба контакта Р1 и Р2, т.е. часть обмотки возбуждения ОВ практически замкнута накоротко, что может привести к нарушению коммутации и возникновению кругового огня.

Система регулирования возбуждения с помощью специального возбудителя (рис.1.14) состоит в том, что параллельно обмотке возбуждения ОВ через разделительный резистор R подключается специальный возбудитель В. изменяя возбуждение возбудителя, т.е. напряжение на нем, можно изменять в широких пределах ток возбуждения двигателя М. Такой возбудитель может быть как электромашинный, так и тиристорный. Эта схема нашла применение в режиме рекуперации. Резистор R необходим, чтобы от одного возбудителя, возможно было осуществлять питание нескольких обмоток возбуждения параллельно соединенных двигателей.

При изучении данной темы учащиеся должны научиться рассчитывать скоростную характеристику при регулирование возбуждения, исходя из формулы

n¢=(U_д-Ir¢)/CF¢

где n¢ - скорость при измененном возбуждении и токе якоря I;

r¢ - полное сопротивление двигателя при измененном возбуждении;

CF¢ - магнитный поток при токе якоря I.

На рис.1.15 представлены характеристики на ободе движущего колеса двигателя ПВ при номинальном напряжении на двигателе U_д и полном и ослабленном возбуждениях. Кривая КПД при ослабленном возбуждении проходит ниже, чем при полном в области малых нагрузок, вследствие увеличения магнитных и механических потерь. В области средних и больших нагрузок КПД h¢ увеличивается вследствие уменьшения сопротивления цепи возбуждения двигателя. Сила тяги F¢ при ослабленном возбуждении уменьшается, т.к. уменьшается магнитодвижущая сила.

. У двигателей смешанного возбуждения регулирование возбуждения осуществляется изменением тока возбуждения I_ш параллельной обмотки. Коэффициентом регулирования возбуждения этой обмотки называется отношение магнитодвижущей силы при определенной ступени регулирования к магнитодвижущей силе при наибольшем токе возбуждения.

На рис.1.16 представлены характеристики двигателя смешанного возбуждения для коэффициентов регулирования b и b₁, причем b₁<b.

Вопросы для самоконтроля

1. Можно ли путем возбуждения магнитного потока осуществлять пуск тяговых двигателей?

2. Что определяет коэффициент регулирования возбуждения?

3. Почему сила тяги при изменение напряжения не изменяется?

Тема 3.5. Тиристорно-импульсное управление тяговыми двигателями.

Принцип импульсного управления; широтно-импульсный ключ; тяговые характеристики э.п.с. при применении импульсного регулятора.

Литература [1], [3], [5].

Методические указания

При импульсном управлении энергия подводится к тяговым двигателям и накопительным элементам в виде отдельных импульсов. В промежуток времени между импульсами энергия в тяговые двигатели поступает от накопительных элементов, в качестве которых используются катушки индуктивности и конденсаторы. Рассмотрим простой случай импульсного управления (рис.1.17).

В период времени 0-t₁ ключ К замкнут и через тяговый двигатель протекает ток i₂=i₁. Нарастание тока определяется индуктивностью цепи L и разностью напряжений U₁-Е_д

Пренебрегаем активными потерями в элементах схемы. За счет увеличения тока i₂ происходит увеличение энергии, накопленной в индуктивности L, которая включает в себя и индуктивность тягового двигателя.

В период времени t₁-t₂ ключ К разомкнут, ток i₁=0. Через тяговый двигатель протекает ток i₂, который замыкается через вспомогательный диод V и поддерживается за счет энергии, накопленной в индуктивности L.

В момент t₂ снова замыкается ключ К, и энергия к тяговому двигателю поступает от источника энергии.

Отношение времени подводящего состояния ключа t₁ к периоду T называют коэффициентом заполнения импульсов

l=t₁/T

Следовательно, изменяя значение коэффициента l, можно менять напряжение U_д на тяговом двигателе (рис.1.18).

Учащиеся должны знать, какие бывают варианты импульсного управления:

а) период постоянный, изменяется время проводящего состояния ключа. Такое управление называется широтно-импульсным;

б) время проводящего состояния ключа остается постоянным, изменяется период. Такое управление называется частотно-импульсным;

в) изменяются время проводящего состояния ключа и период. Такое управление называется смешанным.

Для обеспечения работоспособности схем импульсного управления необходимо, чтобы:

· источник питания был безиндуктивным;

· ключ работал с большой частотой;

· ключ обладал способностью коммутировать большие токи.

При изучении данной темы учащимся необходимо научиться объяснять принцип работы широтно-импульсного ключа.

Вопросы для самоконтроля

1. Какие варианты импульсного управления вы знаете?

2. Принцип работы широтно-импульсного тиристорного ключа.

3. Что такое коэффициент заполнения импульсов?

4. Для чего служит вспомогательный тиристор в схеме широтно-импульсного тиристорного ключа?