Схемы управления тяговых двигателей электровозов

Схема цепи управления электровоза постоянного тока

Цепи управления электровозов можно разделить на две части: цепь управления тяговыми двигателями и вспомогательные цепи. С помощью вспомогательных цепей управляют токоприемниками, быстродействующими выключателями, вспомогательными машинами, отоплением, песочницами, освещением, звуковыми сигналами и другим электрооборудованием. Совместное изображение цепей управления тяговыми двигателями и вспомогательных цепей занимает много места и дается в виде вклеек в учебниках и руководствах по эксплуатации электровозов, прилагаемых заводами-изготовителями.

Мы рассмотрим схемы цепи управления тяговыми двигателями электровозов постоянного тока, представленные в сравнительно упрощенном виде. Схемы цепи управления электровозами постоянного тока (особенно в части управления работой тяговых двигателей) довольно сложны, так как в них введены многие блокировки, обеспечивающие те или иные зависимости. Они, как и схемы силовой цепи, выполняются строчным способом, с горизонтальным расположением строк. Как пример, на рис. 95 показана упрощенная схема цепей управления электровоза ВЛ23.

Рис. 95. Схема цепей управления шестиосного электровоза постоянного тока без рекуперации

Так же, как и в силовых схемах, в схемах цепей управления используются буквенные и цифровые обозначения. Все горизонтальные строки схемы цепей управления нумеруют. Так, для схемы, изображенной на рис. 95, строки имеют номера с 1 по 32. (Для упрощения на схеме не изображены строки — линии связи с номера 7 по 23).

Цепи управления питаются от генератора управления ГУ. Параллельно генератору включают аккумуляторную батарею, питающую эти цепи при опущенном токоприемнике, а также в случае неисправности генераторов.

На отечественных электровозах применено однопроводное питание. Это значит, что один полюс генератора управления (обычно положительный) соединен проводами с аппаратами, а другой — с рамой кузова электровоза, к которой присоединены соответствующие выводы обмоток аппаратов. Такой способ соединения позволяет сократить количество и длину проводов, упрощает монтаж.

Для того чтобы можно было прочитать схему, необходимо увязать состояние ее элементов в данный момент с расположением выступов и впадин шайб контроллера, так как от этого зависит, в каком положении находятся контакты аппаратов: замкнуты или разомкнуты. Обычно это делается так: каждую шайбу развертывают в плоскость, делят эту плоскость вертикальными линиями на столько равных частей, сколько позиций имеет главная рукоятка (рис. 96). Когда контакторный элемент контроллера находится против впадины шайбы, его контакты замкнуты. На развертке его показывают зачерненными точками на вертикальных линиях (на рис. 96 внизу). Если контакторный элемент остается включенным на нескольких соседних позициях контроллера, допускается вместо зачерненных точек показывать сплошную зачерненную линию (верхняя часть развертки на рис. 96).

Рис. 96. Пример развертки шайбы кулачкового вала контроллера

Следовательно, контакторный элемент, положение которого зависит от формы шайбы, на позициях 1-6 и 14-18 замкнут, на 7-13 разомкнут и вновь размыкается на позиции 19.

Упрощенная развертка кулачковых шайб главного вала контроллера электровоза изображена в левой части рис. 95. Количество горизонтальных линий на развертке соответствует числу кулачковых шайб, посаженных на вал. В данном случае главный вал контроллера имеет 26 кулачковых шайб (на рис. 95 показана лишь часть кулачковых шайб и часть позиций главной рукоятки контроллера). Кроме того, четыре шайбы имеют вал ослабления возбуждения и две шайбы — реверсивный вал. Еще больше число шайб в контроллере восьмиосного электровоза с рекуперацией. Так, главный вал электровоза ВЛ10 выполнен с 26 фасонными шайбами, 22 шайбы имеет тормозной вал с помощью которого осуществляется и ослабление возбуждения, 10 шайб посажено на реверсивно-селективный вал.

С правой стороны развертки изображают контакторные элементы контроллера, которые замыкаются и размыкаются кулачковыми шайбами в зависимости от положения рукоятки того или иного вала.

Изучая схему цепи управления, на каждой позиции контроллера рассматривают прохождение тока и определяют, какие аппараты при этом срабатывают в силовой цепи.

Проследим, например, что происходит в цепи управления, когда главная рукоятка контроллера машиниста переводится с нулевой позиции на 1-ю. Перед этим машинист должен поднять токоприемник, включить выключатель цепи управления ВУ, соединяющий цепи управления электровоза с генератором ГУ, пустить в ход вспомогательные машины, включить быстродействующий выключатель и реверсивную рукоятку контроллера поставить в положение Вперед или Назад. Вспомогательные машины предварительно включают для того, чтобы создать запас сжатого воздуха, необходимый для работы приводов аппаратов, и обеспечить работу двигателей вентиляторов и генератора управления. На 1-й позиции от провода H1 (на рис. 95 сохранены обозначения, принятые в заводской схеме) через замкнутые контакторные элементы напряжение подается на общую шину контроллера и от нее на провода 6 и 26.

От шины контроллера получает питание провод 1 и катушка электромагнитного вентиля реверсора Вn, когда реверсивный вал поставлен в положение Вперед, или провод 2 и катушка Наз, когда реверсивный вал находится в положении Назад. Допустим, реверсор займет положение — Вперед. При этом в проводе 1 замкнутся блок-контакты Вn, и по цепи- катушки электромагнитных вентилей 1, 18, провод 1E, блок-контакты группового переключателя КСП-С, провод 26, корпус — пойдет ток. Это может быть только в том случае, когда включен БВ, а значит, замкнуты его блок-контакты в проводе 1A-1Б, и групповой переключатель находится в положении, соответствующем последовательному соединению двигателей (иначе блок-контакты КСП-С будут разомкнуты).

Поэтому, прежде чем поставить рукоятку контроллера на 1-ю позицию, машинист должен установить реверсивную рукоятку в соответствующее положение и включить быстродействующий выключатель. Для этого он нажимает кнопку БВ, в результате чего получает питание удерживающая катушка БВ, если, конечно, замкнуты блок-контакты 96 и 124. Затем машинист нажимает на кнопку Возврат БВ и отпускает ее. При этом открывается доступ сжатому воздуху в цилиндр выключателя.

Попутно отметим, что быстродействующий выключатель можно включить лишь, когда главная рукоятка контроллера находится в нулевом положении. Только тогда через провод 32 получит питание цепь катушки Возврат БВ. На всех остальных позициях, кроме нулевой, контакторный элемент 32 будет разомкнут. Сделано это не случайно. При отключении быстродействующего выключателя машинист вынужден поставить главную рукоятку контроллера на нулевую позицию и только после этого включить быстродействующий выключатель и повторить весь процесс пуска сначала. Тем самым исключается возможность включения БВ на любой промежуточной позиции.

Допустим, машинист мог бы после отключения БВ включить его вновь на промежуточной позиции. Что же произойдет при этом? За время после отключения БВ скорость движения поезда могла резко снизиться. Тогда в момент включения э. д. с. тяговых двигателей будет значительно меньше, чем прежде, а в цепь может быть введено слишком малое сопротивление пускового реостата. В результате возникнет недопустимый бросок тока и сработает защита.

От провода 1E для тока есть и второй путь: через блок-контакт 1, принадлежащий линейному контактору 1, на корпус. По этому пути ток пойдет, как только замкнется контактор 1; тем самым обеспечивается соединение провода 1E с корпусом на всех последующих позициях.

В действительности, на 1-й позиции включаются индивидуальные контакторы и контакторы группового переключателя: собирается силовая цепь последовательного соединения двигателей с полностью введенным пусковым реостатом.

Рассматривая схему цепи управления только для 1-й позиции, уже можно убедиться, что ток проходит через значительное число блок-контактов. Понятно, что блок-контакты вводят в цепь только там, где это необходимо. Рассмотрим для примера назначение блок-контактов контактора 1 в цепи провода 1E. Не исключена вероятность того, что машинист, поторопившись, может поставить главную рукоятку контроллера, допустим, сразу на 2-ю позицию или даже на 3-ю или же переведет ее с 1-й на последующие позиции, когда еще не замкнулся контактор 1. Тогда часть пусковых резисторов будет выведена из силовой цепи. Если бы и после этого могли включиться индивидуальные контакторы, то через якоря тяговых двигателей, которые еще не вращаются, пошел бы слишком большой ток. Поэтому в цепь провода 26 включен контакторный элемент контроллера, замыкающийся только на 1-й позиции. На остальных позициях цепь провода 26 разорвана и силовая цепь не может быть собрана. Чтобы ее собрать, машинисту обязательно придется возвратить главную рукоятку контроллера на 1-ю позицию.

Перемещение главной рукоятки контроллера на последующие позиции приводит к выключению контакторного элемента в цепи провода 26, но питание катушек вентилей контакторов 1, 18 и других не прекратится, так как замкнется блок-контакт контактора 1 в цепи провода 1E. На 2-й позиции главной рукоятки контроллера замкнется контакторный элемент в цепи провода 24 и ток пойдет через катушку электропневматического вентиля 22. Контактор 22 включится и его контакт шунтирует часть секций пускового реостата.

Если необходимо перейти на ослабление возбуждения, то машинист на 23-й ходовой позиции поставит рукоятку ослабления возбуждения в положение ОП1. При этом ток пойдет по проводу 31 в катушки вентилей контакторов ослабления возбуждения 52, 53 и 60, 61. В цепи катушек этих вентилей включены также некоторые блок-контакторы, которые для упрощения на схеме не показаны.

Перевод рукоятки ослабления возбуждения на позицию ОПII вызывает включение контакторов 51, 54 и 59, 62 и т. д. Контакторы ослабления возбуждения, например 52, 53, имеют общий привод.

Переводя главную рукоятку контроллера на последующие позиции, сняв предварительно ослабление возбуждения, переходят на последовательно-параллельное и затем параллельное соединение тяговых двигателей. При этом включаются или выключаются те или иные аппараты, замыкаются или размыкаются соответствующие блок-контакты и все это определяется по развертке контроллера. В процессе обратного перемещения главной рукоятки («сброса позиций») вводятся ступени пускового реостата, соответственно уменьшается скорость.

При переходе с параллельного соединения на последовательно-параллельное пусковые резисторы выключаются, а вал группового переключателя занимает положение, соответствующее последовательно-параллельному соединению. Но при этом возник бы толчок тока, так как время срабатывания индивидуальных контакторов меньше, чем группового переключателя. Они сработают быстро и вследствие недостаточной скорости поворота вала группового переключателя выведут из цепи тяговых двигателей резисторы, когда двигатели еще соединены параллельно. Допустить этого нельзя и здесь опять приходится использовать блок-контакты, а также специальные блокировочные вентили. Например, к вентилям индивидуальных контакторов, которые выводят пусковые резисторы из цепи при переходе с параллельного на последовательно-параллельное соединение, подают сжатый воздух через блокировочный вентиль 86 (электропневматический клапан 86 на рис. 97).

Рис. 97. Схема включения блокировочного вентиля

Блокировочный вентиль не возбудится до тех пор, пока групповой переключатель не займет положения, соответствующего последовательно-параллельному соединению двигателей. Несмотря на то что катушки вентилей индивидуальных контакторов на 38-й позиции получают питание через включенные контакторные элементы контроллера (см. рис. 95), большинство контакторов не включается, так как к их приводам не подается сжатый воздух. Как только в цепях катушек соответствующих блокировочных вентилей, например 86, замкнется блокировка КСП-СП, откроется доступ сжатому воздуху к соответствующим индивидуальным контакторам 2, 3, 6, 10, 11, 12, 14, 19, 20 и 23 (см. рис. 97). Это теперь безопасно, так как переключатель уже находится в соответствующем положении.

В схемах цепи управления, в том числе и в схеме рис. 95, имеются и другие блок-контакты. Например, блокировки ОД — отключателей двигателей, которые изменяют порядок замыкания индивидуальных контакторов, когда отключена группа тяговых двигателей в случае их неисправности.

На электровозах с рекуперативным торможением схема цепи управления несколько сложнее.

СХЕМА ЦЕПИ УПРАВЛЕНИЯ ЭЛЕКТРОВОЗА ПЕРЕМЕННОГО ТОКА

Как и на электровозах постоянного тока, цепи управления на электровозах переменного тока можно разделить на две части; цепи управления тяговыми двигателями и вспомогательные цепи управления.
На электровозах переменного тока основным аппаратом, с помощью которого производят необходимые переключения в цепи управления, а следовательно, и в силовой цепи, также является контроллер машиниста. Цепи управления питаются постоянным током напряжением 50 В от генераторов управления или от статических выпрямителей.
На электровозах ВЛ80т, ВЛ80с, ВЛ80р с электрическим торможением контроллер имеет три вала: главный, реверсивный и тормозной.
На электровозах без электрического торможения (ВЛ60к, ВЛ80к) контроллер машиниста (рис. 90) выполнен с двумя валами: главным и реверсивным, совмещенным с валом ослабления возбуждения. Контроллер имеет две рукоятки управления — съемную реверсивную и главную.

Рис.90. Контроллер машиниста электровоза переменного тока

С помощью реверсивной рукоятки машинист изменяет направление движения локомотива, включает или выключает ступени ослабления возбуждения. В соответствии с этим реверсивная рукоятка может занимать следующие положения (рис. 91): 0 — нулевое; ПВ — полное возбуждение для движения назад; ПВ — полное возбуждение для движения вперед; OBI, OB2, ОВЗ — ступени ослабления возбуждения для движения вперед. При этом включаются или выключаются контакторы ослабления возбуждения, шунтирующие секции резисторов в этих цепях (см. рис. 68). Как и на электровозах постоянного тока, реверсивная и главная рукоятки во избежание ошибочных действий машиниста сблокированы.
Управление силовой цепью электровоза переменного тока сводится к управлению с помощью главной рукоятки серводвигателем СМ главного контроллера: его ручному «или автоматическому пуску, фиксации (остановке) серводвигателя на какой-либо позиции, его реверсированию, сбросу позиций и фиксации на позициях сброса. Пуск серводвигателя, его реверсирование, электрическое торможение осуществляются с помощью контакторов 208 и.206 (на рис. 91 сохранена нумерация аппаратов, присвоенная заводом-изготовителем), замыкающие и размыкающие контакты которых включены в его цепь. (Напомним, что все контакты на рис. 91 показаны в положении, соответствующем отсутствию тока в аппаратах.) В необходимых случаях с помощью главной рукоятки можно быстро выключить главный выключатель силовой цепи.

Рис. 91. Упрощенная схема цепи управления тяговыми двигателями электровоза переменного тока

В соответствии со сказанным главная рукоятка контроллера машиниста электровоза может занимать восемь позиций: 0 — нулевая; БВ — быстрое выключение главного выключателя; АВ — автоматическое выключение; РВ — ручное выключение; ФВ — фиксация выключения; ФП — фиксация пуска; РП — ручной пуск; АП — автоматический пуск.
Машинист при подготовке электровоза к пуску включает кнопку Цепь управления и замыкает специальным ключом контакт 213 блокировочного устройства тормозов, в результате чего подается напряжение 50 В в цепь управления контроллера. Затем машинист ставит главную рукоятку на позицию 0. Если при этом вал одного из двух главных контроллеров находится не на нулевой позиции (машинист управляет двумя главными контроллерами, расположенными в каждой секции локомотива) , то через ряд блокировок замыкается цепь катушки контактора 208. Тогда включается его замыкающий контакт и выключается размыкающий в цепи серводвигателя. На позиции 0, как видно из развертки кулачковых шайб главного вала контроллера машиниста, катушка контактора 206 обесточена и его размыкающие контакты в цепи серводвигателя СМ включены так, что двигатель вращается в сторону сброса позиции. Как только вал главного контроллера установится в нулевую позицию, специальная блокировка прервет цепь катушки контактора 208, контакты которого разорвут цепь питания двигателя СМ и накоротко замкнут обмотку его якоря. В результате начнется электрическое торможение двигателя СМ.
Затем машинист переводит главную рукоятку контроллера в положение фиксации пуска ФП, контактор 206 включится и его контакты подготовят цепь якоря серводвигателя СМ к тому, что при замыкании его цепи контактами контактора 208 он начнет вращаться в направлении, соответствующем набору позиций. Контактор 208 включится при переводе главной рукоятки контроллера из положения ФП в положение РП и серводвигатель повернет вал группового переключателя на одну позицию набора.
Как только этот поворот завершится, соответствующие блокировки пр­рвут цепи питания катушки контактора 208 и его размыкающие контакты замкнут накоротко якорь серводвигателя СМ. Для набора следующей позиции машинист должен поставить главную рукоятку снова в положение ФП, чтобы подготовить цепь якоря серводвигателя, и затем перевести рукоятку в положение РП. Переводя рукоятку с позиции на позицию, машинист следит за показаниями амперметра, чтобы не допустить перегрузки тяговых двигателей.
Машинист может осуществлять и автоматический пуск локомотива. Для этого он должен поставить главную рукоятку в положение АП. В этом случае через катушку контактора 208 будет проходить ток до тех пор, пока машинист удерживает главную рукоятку в положении АП (это положение рукоятки нефиксированное). При этом двигатель СМ будет вращаться в направлении, соответствующем набору позиций. На последней, 33-й, позиции специальные блокировки разорвут цепь катушки 208. При наборе позиций катушка контактора 206 находится под током.
Сброс позиций, так же как и пуск, может быть осуществлен вручную или автоматически. Для ручного сброса машинист ставит рукоятку поочередно в положения РВ и ФВ, для автоматического — в положение АВ. При сбросе позиций катушка контактора 206 обесточена.
Следовательно, при автоматическом пуске или сбросе скорости машинист только ставит главную рукоятку контроллера в соответствующее положение, а все необходимые переключения производятся автоматически, без его участия. При разгоне электровоза с составом до необходимой скорости ток в тяговых двигателях не должен превышать значения, ограничиваемого условиями сцепления или коммутацией двигателей.
Необходимые переключения в процессе автоматического пуска или снижения скорости могут происходить в зависимости от изменения тока. Этот способ используют в пригородных электропоездах, где масса состава, а следовательно, и начальное значение тока при пуске изменяются сравнительно мало.
Масса грузовых составов, а значит, и зависящий от нее ток электровоза могут меняться в широких пределах. Осуществить автоматический пуск грузового электровоза в зависимости от изменения тока трудно. Поэтому необходимые переключения при пуске и снижении скорости производят через равные промежутки времени независимо от нагрузки двигателей. Промежутки времени, через которые происходит переход с одной позиции на другую, определяются частотой вращения серводвигателя и передаточным числом механизмов передачи от серводвигателя до кулачкового вала контакторов переключения ступеней. Такой способ автоматического управления называют хронометрическим . Безусловно, и при этом способе управления ток в двигателях не должен превышать максимального допустимого.
Машинист в процессе как автоматического, так и ручного пуска должен следить за показаниями амперметра, включенного в цепь тяговых двигателей. Если ток превышает допустимый, он ставит главную рукоятку контроллера в положение ФП, т. е. приостанавливает автоматические переключения в силовой цепи, фиксируя вал главного контроллера на какой-либо промежуточной ступени регулирования.
Если кулачковый вал контакторов переключения ступеней случайно застрянет между позициями, реле времени, которое имеет выдержку 2—3 с, своими контактами разорвет цепь удерживающей катушки главного выключателя, и он отключится.
Машинисту необходимо знать, на какой позиции находится вал главного контроллера в процессе автоматического или ручного набора, а также сброса позиций. Поэтому в каждой кабине управления установлен указатель позиций (см. рис. 91). Стрелка указателя позиций связана с устройством, носящим название сельсин-приемника. Сельсин-приемник электрически соединен с сельсин-датчиком. Обмотки статоров сельсин-датчика и сельсин-приемника питаются однофазным переменным током напряжением 110В от специального трансформатора напряжения, подключенного к вспомогательной обмотке тягового трансформатора. Роторы сельсин-приемника и сельсин-датчика имеют трехфазные обмотки, электрически соединенные одна с другой. Ротор сельсин-датчика механически связан зубчатой передачей с валом серводвигателя (на рис. 91 условно показано, что ротор соединен с валом серводвигателя непосредственно).
Обмотки статоров сельсинов создают пульсирующие магнитные потоки, которые наводят в трехфазных обмотках роторов равные э. д. с. При повороте вала главного контроллера, а следовательно, и ротора сельсин-датчика равенство э. д. с. нарушается и по соединительным проводам проходит ток. Это заставляет ротор сельсин-приемника повернуться точно на такой же угол, на какой повернулся сельсин-датчик. Тогда равенство э. д. с. восстанавливается.
В схеме управления силовой цепью, как видно из рис. 91, используется много контактов и катушек реле, блок-контактов контакторов. Все они выполняют различные защитные и контрольные функции, например, контролируют включение двигателей вентиляторов, охлаждающих выпрямители, температуру масла в баке тягового трансформатора и т. п. Подробно их действие описывается для электровозов каждой серии в специальных руководствах по эксплуатации.