Пуск и тормозные режимы двигателя постоянного тока независимого возбуждения ДПТ НВ

Ответственным моментом при эксплуатации двигателей постоянного тока является их пуск. При включении двигателя в сеть в начальный момент ток в цепи якоря ограничивается лишь электрическим сопротивлением цепи якоря, так как в неподвижном якоре ЭДС не индуцируется. Поэтому начальный пусковой ток при непосредственном включении двигателя в сеть может достигать опасных значений, способных нарушить работу щеточно- коллекторного узла и вызвать «круговой огонь» на коллекторе. Кроме того, такой ток создаст чрезмерно большой пусковой момент, оказывающий на вращающиеся части электропривода ударное воздействие, способное вызвать их механическое разрушение. Эффективным средством ограничения пускового тока в двигателях постоянного тока является применение пусковых реостатов. Существует два метода расчета пусковых реостатов: графический и аналитический.

Графический метод расчета пусковых реостатов

В основе графического метода лежит пусковая диаграмма двигателя. Пусковая диаграмма, представленная на рис. 13.14, совмещена с трехступенчатым пусковым реостатом; K1, К2 и КЗ являются контактами силовых контакторов, посредством которых осуществляется переключение ступеней реостата, а r_доб1, r_доб2 и r_доб3 — резисторы ступеней пускового реостата. Механические характеристики 1, 2, 3 соответствуют ступеням пускового реостата R_ПР1, R_ПР2 и R_ПР3. Значения начального пускового тока I₁ и тока переключений реостатов I₂ обычно принимают

при этом ток переключений I₂ должен быть не меньше тока нагрузки, соответствующего статическому моменту сопротивления нагрузки М_С, на вал двигателя. Для двигателей специального назначения, с тяжелыми условиями работы, например двигателей краново-металлургических серий, указанные значения токов могут быть увеличены.

Аналитический метод расчета пусковых реостатов

При аналитическом методе расчет сопротивлений резисторов пускового реостата ведут по формулам:

В этих выражениях λ = I₁/I₂ представляет собой отношение начального пускового тока I₁ к току переключений I₂. При работе двигателя от регулируемого преобразователя напряжения необходимость в пусковом реостате отпадает, так как пуск двигателя можно начинать с любого пониженного значения напряжения на обмотке якоря в соответствии с допустимым значением начального пускового тока.

Тормозные режимы двигателей постоянного тока независимого возбуждения дпт нв

Помимо основного (двигательного) режима работы в двигателях постоянного тока независимого (параллельного) возбуждения возможны тормозные режимы.

Генераторное рекуперативное торможение

Этот режим наступает, когда частота вращения якоря превышает частоту вращения холостого хода n₀.

В этих условиях ЭДС машины Е_а = с_еФn₀ превышает напряжение питающей сети (Еа > Uном), при этом ток якоря, а следовательно, и электромагнитный момент меняют свое направление на противоположное. В итоге машина постоянного тока переходит в генераторный режим и вырабатываемую при этом электроэнергию отдает в сеть. Электромагнитный момент двигателя становится тормозящим и противодействует внешнему вращающему моменту, создаваемому силами инерции вращающего с прежней скоростью якоря (рис. 13.15, а). Этот процесс торможения будет продолжаться до тех пор, пока частота вращения якоря, уменьшаясь, не достигнет значения n_0.

Таким образом, для перехода двигателя в режим генераторного рекуперативного торможения не требуется изменений в схеме включения двигателя.

Генераторное рекуперативное торможение — наиболее экономичный вид торможения, так как он сопровождается возвратом энергии в сеть. Применение этого способа торможения является эффективным энергосберегающим средством в электроприводе Он целесообразен в электротранспортных средствах, работа которых связана с частыми остановками и движением под уклон. В этом случае кинетическая энергия движения транспортного средства (трамвай, троллейбус, электропоезд) преобразуется в электрическую энергию и возвращается в сеть.

Возможен способ перевода двигателя в режим генераторного рекуперативного торможения и при установившейся частоте вращения якоря. Для этого необходимо увеличить в двигателе магнитный поток возбуждения, т.е. ток в обмотке возбуждения.

Из выражения ЭДС якоря Е_а = с_еФn следует, что с ростом магнитного потока возбуждения Ф при неизменной частоте вращения n ЭДС якоря Е_а увеличивается, что ведет к уменьшению тока в цепи якоря:

При ЭДС Е_а = U ток якоря I_a = 0, а частота вращения якоря достигает значения n = n₀. При дальнейшем увеличении потока возбуждения Ф, а следовательно, возрастании ЭДС якоря Е_а пограничная частота вращения снижается (см. 13.12, б), а частота вращения якоря, оставаясь практически неизменной за счет сил инерции вращающихся частей электропривода, начинает превышать пограничную частоту n₀. При этом ЭДС якоря превышает напряжение сети и двигатель переходит в режим генераторного рекуперативного торможения.

Динамическое торможение.

Необходимость в таком торможении возникает в том случае, когда после отключения двигателя от сети его якорь под действием кинетической энергии движущихся масс электропривода продолжает вращаться. Если при этом обмотку якоря, отключив от сети, замкнуть на резистор r_т, то двигатель перейдет в генераторный режим (обмотка возбуждения должна оставаться включенной в сеть). Вырабатываемая при этом электроэнергия не возвращается в сеть, как это происходит при рекуперативном торможении, а преобразуется в теплоту, которая выделяется в сопротивлении

В режиме динамического торможения ЭДС якоря не меняет своего направления, но поскольку якорь отключен от сети (U = 0), то ток якоря изменит направление, так как будет создаваться ЭДС Е_а

т.е. станет отрицательным. В результате электромагнитный момент также
изменит направление и станет тормозящим (рис. 13.15, б). Процесс торможения продолжается до полной остановки якоря (n = 0).

Торможение противовключением.

Допустим, что двигатель работает в основном (двигательном) режиме с номинальной нагрузкой. При отключении двигатели от сети вращающий
момент М = 0, но якорь двигателя за счет кинетической энергии вращающихся масс электропривода некоторое время будет продолжать вращение, т.е. произойдет выбег двигателя.

Чтобы уменьшить время выбега двигателя, применяют торможение противовключением. С этой целью изменяют полярность напряжения на клеммах обмотки якоря (полярность клемм обмотки возбуждения должна остаться прежней) и напряжение питания обмотки якоря становится отрицательным (- U). Но якорь двигателя под действием кинетической энергии вращающихся масс электропривода сохраняет прежнее (положительное) направление вращения, и так как направление магнитного потока не изменилось, то ЭДС якоря Е_а также не меняет своего направления и действует согласно напряжению (-U), при этом ток якоря создается суммой напряжения сети U и ЭДС якоря Еа
(рис. 13.15, в):

где r_т, — сопротивление резистора в цепи якоря двигателя.

В этих условиях электромагнитный момент станет отрицательным.

Под действием тормозящего момента — Mт, частота вращения якоря уменьшается, достигнув нулевого значения.Если в этот момент цепь якоря не отключить от сети, то произойдет реверсирование двигателя и его якорь под действием момента, который прежде был тормозным, начнет вращение в противоположную сторону. При этом двигатель перейдет в двигательный (основной) режим с отрицательными значениями частоты вращения и вращающего момента. Во избежание нежелательного реверсирования операцию торможения противовключением автоматизируют, чтобы при нулевом значении частоты вращения цепь якоря отключалась от сети.

Схема рекуперативного торможения двигателя постоянного тока

Электроподвижной состав постоянного тока с машинными преобразователями.

Для осуществления рекуперативного торможения используют схемы со стабилизирующими резисторами и с возбудителями встречного смешанного возбуждения.

Схема со стабилизирующими резисторами В схеме рис. 251, а стабилизирующий резистор /?ст сопротивлением гст является общим для цепей якоря и обмотки возбуждения тягового двигателя.

Уравнение напряжения для цепи тока возбуждения в установившемся режиме

= Свп,Фа = /„ (лст + г„ + г„) + /гст,

где £„, С„, га„, Ф„ и гяв — соответственно э. д с, постоянная, частота вращения, поток и сопротивление обмотки якоря возбудителя В, I, гае — соответственно ток и сопротивление двигателя М1.

Из этого выражения следует, что

/ _ £в — 1г„ ^ Сяп„Фв — 1г„

В цепи тока якоря двигателя М1

Еа = vCaФл = ис + /(лдя + г„) + /„/•„,

откуда можно получить уравнение для скорости:

Ц с + А>дя + Г„) + /.Гст

Из уравнения для /в вытекает, что при увеличении тока якоря / ток возбуждения

Рис. 251 Схемы силовых цепей при рекуперации иа электровозах постоянного тока со стабилизирующими резисторами (а) и с возбудителями встречного смешанного возбуждения (б, в, г, д)

уменьшается и наоборот. Чем больше сопротивление гст, тем резче проявляется эта зависимость и тем круче падает характеристика 1>(/), обеспечивая малую чувствительность системы к колебаниям напряжения в контактной сети При увеличении скорости движения V ток якоря / возрастает из-за увеличения э д. с. £д, а следовательно, уменьшаются ток возбуждения /„ и магнитный поток Фд. Поэтому тормозная сила В « 0,367СДФД/ будет возрастать лишь до определенного максимума, наступающего при некоторой скорости о„. В зоне скоростей выше ик тормозная характеристика оказывается механически неустойчивой

С увеличением сопротивления г„ уменьшаются величины Вт„ и ч„ Область возмож-

ного использования рекуперации ограничена минимальной скоростью:

«шн. = (V, — 2£д)/(СдФдт>х) » 1/с/(СжФЖП1М). т. е. ограничена по току /вга,х

Вид характеристики v(l) и для схемы рис. 251, а (так как Фдтах = /втах) определяется внутренними нагрузочными характеристиками СДФД(/В), реакцией якоря и насыщением возбудителя [характеристикой С„Фв(ів)], изменением частоты вращения двигателя Д возбудителя в зависимости от его нагрузки.

При рекуперации суммарная э. д. с двигателей 2£д должна быть больше напряжения сети £/с; с уменьшением скорости 2£д уменьшается. Следовательно, для расширения зоны рекуперации и снижения рт1П необходимо с понижением скорости движения поддерживать 2£д > > £/с. Это осуществляют в первую очередь, увеличивая число последовательно соединенных якорей двигателей, т. е. применяя переход с параллельного на последовательно-параллельное, а с последовательно-параллельного на последовательное соединения якорей двигателей. Жесткость характеристик увеличивается при переходе с параллельного на последовательное соединение якорей тяговых двигателей.

При использовании стабилизирующих резисторов в рекуперативном режиме необходимо иметь специальный возбудитель, мощность которого значительно превосходит мощность, необходимую непосредственно для питания обмоток возбуждения; кроме того, ограничивается область применения рекуперативного торможения и уменьшается максимальная тормозная сила. При рекуперативном торможении, например по схеме рис. 251, а, на электровозе ВЛ22М мощность, потребляемая обмотками возбуждения при токе возбуждения /„ = 200 Л, составляет 23,2 кВт. В действительности из-за наличия стабилизирующих резисторов применяют возбудитель мощностью 57 кВт, а для его привода — двигатель мощностью 67 кВт. В стабилизирующих резисторах теряется также и некоторая часть энергии, вырабатываемой двигателями в генераторном режиме, что уменьшает отдачу энергии в сеть. Поэтому на современных электровозах постоянного тока с тяговыми двигателями последовательного возбуждения применяют схемы рекуперации с возбудителями встречного смешанного возбуждения.

Схема с возбудителями встречного смешанного возбуждения. В схеме рис. 251, б применен возбудитель В с двумя обмотками возбуждения: независимой НО и встречной ВО. Через обмотку ВО протекает ток якоря тягового двигателя /. Во время рекуперации м. д с. обмоткн ВО направлена навстречу м д. с. обмоткн НО. По

мере увеличения тока рекуперации / э. д. с. £в возбудителя, а следовательно, и ток возбуждения /„ уменьшаются. При уменьшении тока / э. д. с. £в и ток /в увеличиваются. Следовательно, обмотка ВО возбудителя сглаживает толчки тока и тормозной силы при изменениях напряжения в контактной сети.

Форма рекуперативных характеристик при возбудителе встречного смешанного возбуждения будет иной, чем в схеме с возбудителем независимого возбуждения и стабилизирующими резисторами. Тре-бумая крутизна характеристик рекуперативного торможения по схеме рис. 251, б достигается изменением соотношения м. д. с. обмоток возбуждения возбудителя при заданном токе /нв. Чем больше

Отношение /И’воАкв^’но. тем больше ВЛИЯет

ток в якоре на э. д. с. возбудителя £в и тем круче характеристики и(/). Однако одновременно уменьшается максимальное значение тормозного усилия Втах.

В схемах со стабилизирующими резисторами в каждой параллельной цепи токи возбуждения определяются только токами якорной цепи. Поэтому, возможно, н отклонения токов в цепи якорей будут частично компенсированы отклонениями токов возбуждения. При одном возбудителе встречного смешанного возбуждения на локомотивах с двумя и большим числом параллельных цепей тяговых двигателей не может быть обеспечено удовлетворительное распределение токов по этим цепям. Неравномерность токов в параллельных цепях можно ограничить, если для каждой цепи установить свой возбудитель, э: д. с. которого уменьшалась бы только при увеличении тока в цепи своих якорей. Однако иметь на электровозе большое число возбудителей (например, на электровозах ВЛ8, ВЛ10У и ВЛ10 по четыре) нежелательно. Поэтому на э. п. с. постоянного тока с числом параллельных цепей двигателей две и больше применяют один или два возбудителя встречного смешанного возбуждения, а для выравнивания токов в параллельных цепях — схемы с циклической стабилизацией, включая в каждую параллельную цепь якорей уравнительные резисторы Яу (рис. 251,

Эти недостатки затрудняют применение рекуперативного торможения даже на освоенных электровозах, хотя рекуперация на них применяется в основном для подтормаживания на спусках. Для электропоездов (кроме ЭР22, ЭР2Р, ЭР2Т, ЭР22М н ЭР22В) и особенно для поездов метрополитена такие схемы рекуперации вообще неприемлемы. Использование в качестве возбудителей статических преобразователей позволяет значительно улучшить технико-экономические показатели рекуперативного торможения в результате резкого улучшения динамических характеристик; обеспечения выравнивания нагрузок тяговых машин путем индивидуального регулирования токов возбуждения групп тяговых двигателей, вследствие чего увеличивается возврат в контактную сеть электроэнергии; повышения к. п д. устройств возбуждения; увеличения надежности возбудителей и систем рекуперативного торможения в целом.

Известно большое число статических преобразователей импульсных без звена постоянного тока и инверторных со звеном переменного тока. Опыт использования этих преобразователей на электровозах ВЛ10, ВЛ12, ВЛ11-295, ВЛ15,

электропоезде ЭР22В-556 и вагонах метрополитена 81-714 и Е показал, что наиболее пригодны для этой цели преобразователи, выполненные по схеме рис. 252, а, где обратные диоды ]/О01 и УО02 подключены к отпайке первичной обмотки ннверторного трансформатора ИТ1 и используется колебательный контур в коммутирующей цепи. Звено переменного тока позволяет сравнительно просто получить требуемое число выводов с любым постоянным напряжением. Таким образом, можно иметь только один преобразователь и применять для регулирования напряжения на нагрузке устройство фазового регулирования напряжения. В режимах, для которых характерно широкое изменение нагрузки, лучшими технико-экономическнмн показателями обладает преобразователь с колебательным контуром £КСК (рис. 253, а). По конструкции он проще трансформатора ИТ1 и коммутирующего реактора £к (см. рис. 252, а), обеспечивает лучшие условия работы тиристоров, обладает более высоким коэффициентом полезного действия при широком диапазоне изменении нагрузки.

Одним из основных параметров, определяющих устойчивую работу инвертора,

Рис. 253. Схема преобразователя с использованием колебательного контура в коммутирующей

цепи (а) и кривые I ( и ( 2 трансформатора приложенные к тиристорам прямое и обратное напряжения выше расчетного напряжения питания, что учитывают прн выборе тиристоров.

Инвертор, выполненный по схеме рис. 252, а, устойчиво работает на партии электровозов ВЛ10 и на опытных электровозах ВЛ12. Однако поочередное протекание тока через полуобмотки коммутирующего реактора !

Рис. 254. Упрощенная схема силовой цепи рекуперативно-реостатного торможения (а) и кривые изменения тока /т якоря и тормозной силы Вк при снижении скорости движения V и плавном автоматическом регулировании замедления (б)

буждением двигателей М1—М4. При этом вначале включается контактор Т, в результате чего совмещаются кратковременно рекуперативное и реостатное торможения, затем выключается линейный контактор ЛК и собирается цепь реостатного торможения с независимым возбуждением двигателей. Начинает вращаться вал реостатного контроллера РК, и цепь обмоток возбуждения двигателей контакторами подключается к тормозному резистору гт. При этом параллельно СП будет включен резистор гш, через который проходит часть тормозного тока. Если падение напряжения на резисторе гш равно падению напряжения в обмотках возбуждения двигателей, то СП отключается контактором КВ и осуществляется переход на последовательное возбуждение двигателей (зона ///). В зоне /// снижение скорости движения v осуществляется постепенным выведением ступеней тормозного резистора гт контакторами РК контроллера (кривые 3 и 3′).

Для полной остановки поезда (зона IV) применяют механическое торможение (сила Вкм), действующее совместно с реостатным (сила Вкэ). При этом уменьшается сила Вкэ, нарастает сила Вкм, но сохраняется примерно постоянное значение Вкз + Вкк. Переключение с одного вида торможения на другой осуществляется с помощью электронных реле: включения рекуперации РВР, максимального напряжения РМН, ограничения напряже-

ния КОН, самовозбуждения PCB, срабатывания реле РМН1, элемента И, которые срабатывают под воздействием соответствующих датчиков напряжения и тока (ДБН, ДНС, ДНК, ДТЯ, ДТВ).

Э. п. с. переменного тока с двигателями пульсирующего тока. В режиме рекуперативного торможения такие тяговые двигатели, как и на э. п. с. постоянного тока, работают генераторами постоянного тока. Для того чтобы их энергию передать в контактную сеть, необходимо постоянный ток преобразовать в переменный, т. е. осуществить инвертирование. Для работы инверторов э. п. с. необходима реактивная энергия, которая отбирается от первичной системы электроснабжения, что загружает тяговую сеть и вызывает дополнительные потери энергии. Прн одинаковых прочих условиях потребление реактивной энергии в процессе рекуперации в 2,5 раза больше, чем в тяговом режиме. Поэтому часть энергии, рекуперируемой электровозом нлн электропоездом, идет на возмещение дополнительных потерь, что несколько снижает технико-экономическую эффективность рекуперации. Реализуемый коэффициент мощности рекуперирующим электровозом обычно составляет 0,45— 0,55. Инвертирование тока осуществляется тиристорными преобразователями (на электровозах ВЛ80Р, ВЛ85), которые при тяговом режиме работают выпрямителями (подробно см. § 103 и рис. 265).