Электрооборудование транспортных средств

Рис. 13

Чтобы поднять токоприемник, машинист с помощью специального аппарата (клапана токоприемника) открывает доступ сжатому воздуху в цилиндр оршень цилиндра, перемещаясь в крайнее левое положение, штоком поворачивает рычаг, с которым связана тяга и опускающая пружина. Тяга, перемещаясь влево, отходит от фасонного кронштейна, и две растянутые поднимающие пружины поднимают нижнюю и верхнюю рамы, связанные шарнирно. Профиль фасонного кронштейна обеспечивает вначале быстрый подъем токоприемника, а в конце медленный для мягкого соприкосновения его с проводом.

Для того чтобы опустить токоприемник, цилиндр, наполненный воздухом, сообщают с атмосферой. Тогда опускающая пружина, которая была сжата при подъеме токоприемника под действием поршня и рычага, разжавшись, переместит поршень в крайнее правое положение и одновременно через тягу с роликом воздействует на фасонный кронштейн. Главные валы под действием усилия, приложенного к этому кронштейну, и силы тяжести подвижной части, преодолев сопротивление поднимающих пружин, повернутся и токоприемник опустится.

Вначале токоприемник должен опускаться очень быстро, чтобы разорвать электрическую дугу, которая может образоваться при отрыве полозов от контактного провода, а затем медленно, чтобы рама плавно (без удара) опустилась на амортизаторы. Это обеспечивается соответствующим очертанием фасонного кронштейна и быстрым выпуском сжатого воздуха из цилиндра в начальный период. В некоторых конструкциях токоприемников вместо фасонного кронштейна используют редуктор, который изменяет давление сжатого воздуха, поступающего в цилиндр или выходящего из него, в зависимости от положения рам.

Основание токоприемника устанавливают на изоляторах. Обычно на электровозах имеется два электрически соединенных токоприемника. Как правило, в процессе работы поднят задний из них по направлению движения локомотива.

Полозы токоприемника специальным механизмом, называемым кареткой крепят к раме. Каретки предназначены для улучшения токосъема при проходе точек, где крепится контактный провод (жесткие точки), обеспечения упругости полозов в горизонтальном направлении и равномерного распределения нажатия между ними. Для этого применены пружины и шарнирные соединения.

К рабочим поверхностям полозов крепят сменные контактные пластины -- контактные вставки или накладки. Они должны иметь малое электрическое сопротивление, быть износостойкими и по возможности меньше изнашивать контактный провод. В современных токоприемниках применяют угольные вставки, медные и металлокерамические накладки.

Нажатие полозов токоприемника на контактный провод в среднем составляет 98--128 Н (10--13 кгс). Качество токосъема будет высоким, если нажатие полозов на контактный провод независимо от высоты его подвески не изменяется. Это обеспечивается применением шариковых и игольчатых подшипников, снижением массы подвижных частей путем использования прочных тонкостенных труб. [1-5].

Тема лекции №7 Разъединители и быстродействующие выключатели

В тех случаях, когда персонал осматривает электрическое оборудование электровоза, для обеспечения безопасности работающих опускают токоприемник. Чтобы исключить случайную подачу напряжения, например, в случае самопроизвольного подъема токоприемника или обрыва контактного провода над токоприемником в силовую цепь включают разъединители QS -- по одному на каждый токоприемник. Разъединитель отключают вручную из кузова электровоза.

Рис. 14

Нарушение изоляции и возникновение в связи с этим короткого замыкания, а также недопустимая перегрузка в цепи вызывают очень большой ток, который может привести к серьезным повреждениям оборудования. Токи короткого замыкания настолько велики, что могут сгореть или разрушиться даже самые толстые провода, шины и другие токоведущие части. Возникающие при коротком замыкании механические силы взаимодействия между проводниками с током разрушают изоляторы и другие детали электротехнических установок. Поэтому все электрические цепи, как правило, тем или иным способом защищают от токов короткого замыкания и перегрузок.

Простейшие защитные аппараты -- плавкие предохранители -- включают последовательно с защищаемой цепью; плавкая вставка их перегорает при токах, превышающих допустимые, так как имеет площадь сечения, меньшую, чем любой проводник в защищаемой цепи.

Защитить плавким предохранителем силовую цепь электровоза, рассчитанную на большие токи, невозможно. При коротком замыкании ток растет очень быстро, а плавкая вставка сгорает не сразу.

Рис. 15

Она обладает так называемой тепловой инерцией. При очень большом токе и высоком напряжении даже после того, как плавкая вставка сгорит, между зажимами, где она была включена, может возникнуть электрическая дуга.

Следовательно, нужен такой защитный аппарат, который при коротких замыканиях или перегрузках был бы в состоянии в минимальное время разрывать защищаемую цепь и быстро гасить электрическую дугу. На электровозах постоянного тока для этой цели служат быстродействующие автоматические выключатели (БВ). С помощью БВ, кроме того, силовую цепь электровоза отключают от контактной сети и подключают к ней. Такие включения и отключения называют оперативными.

Машинист, нажав кнопку БВ , замыкает цепь удерживающей катушки быстродействующего выключателя. Кнопка остается включенной; она не снабжена пружиной, возвращающей ее в первоначальное положение. Затем машинист кратковременно нажимает на кнопку Возврат БВ, контакты которой замыкают цепь катушки электропневматического вентиля (рис. 30, б). Под действием поля, создаваемого электромагнитом вентиля, его якорь перемещается и открывает доступ сжатому воздуху в цилиндр привода быстродействующего выключателя. Заметим, что электропневматический вентиль называют включающим, если при прохождении тока через его катушку клапаны соединяют аппарат (в данном случае цилиндр) с источником сжатого воздуха.

Рис. 16

Сжатый воздух давит на поршень в цилиндре привода быстродействующего выключателя и передвигает его вправо. Шток поршня с роликом на конце нажимает на контактный рычаг. Перед началом движения поршня контактный рычаг с подвижным контактом оттянут выключающей пружиной в крайнее левое положение, и опирается верхней частью на упор. Это положение рычагов быстродействующего выключателя показано на рис. 30, а. Контактный и якорный рычаги имеют в точке. А шарнирное соединение. Когда ролик штока под действием перемещающегося поршня начинает нажимать на контактный рычаг, последний сначала поворачивается относительно точки. А, не отрываясь от упора. Поворот происходит до тех пор, пока контактный рычаг не коснется рычага якоря рядом с осью Б. После этого оба рычага поворачиваются вместе вокруг оси Б. Рычаги поворачиваются до тех пор, пока якорь не будет прижат к полюсам магнитопровода.

Однако в этот момент подвижной контакт, находящийся в верхней части рычага якоря, отойдет от упора, но еще не коснется неподвижного контакта и, следовательно, силовая цепь не будет замкнута. Сколько бы времени машинист не продолжал нажимать на кнопку Возврат БВ, подвижной и неподвижный контакты не замкнутся, так как ролик штока, упираясь в контактный рычаг, не даст ему повернуться относительно точки А по часовой стрелке в крайнее правое положение и замкнуть силовую цепь электровоза.

Это сделано не случайно. Предположим, что включение быстродействующего выключателя производится при коротком замыкании в силовой цепи. Даже если машинист сразу заметит, что в силовой цепи возникла неисправность, пройдет некоторое время, пока он отпустит кнопку и подвижной контакт под действием выключающей пружины начнет отходить от неподвижного. Скорость движения подвижного контакта будет сравнительно небольшой, так как выключающая пружина должна преодолеть сопротивление сил трения, возникающих при вращении включающего рычага, и переместить влево поршень в цилиндре. За это время ток короткого замыкания успеет резко возрасти и вызвать значительные повреждения. Во избежание этого быстродействующий выключатель конструируют так, чтобы окончательно его контакты замыкались только после того, как машинист отпустит кнопку Возврат БВ и она своими контактами разорвет цепь электромагнита электропневматического вентиля. Катушка электромагнита вентиля будет обесточена и полость цилиндра привода соединится с атмосферой. Сжатый воздух выйдет из цилиндра, и пружина, расположенная внутри него, переместит поршень в крайнее левое положение. Однако выключающая пружина после этого не возвратит контактный рычаг и рычаг якоря в крайнее левое положение, так как якорь притянут магнитным потоком удерживающей катушки к полюсам ее магнитопровода. Наоборот, под действием выключающей пружины контактный рычаг поворачивается относительно точки А, подвижной и неподвижный контакты замыкаются. Теперь ток из контактной сети через токоприемник, дугогасящую катушку, неподвижный и подвижной контакты, гибкий шунт, размагничивающий виток, навитый на стальной сердечник, пойдет в силовую цепь к тяговым двигателям.

В момент разрыва цепи между контактами возникает электрическая дуга. Ее необходимо погасить как можно быстрее. Если допустить длительное горение дуги, то по цепи значительное время будет проходить ток короткого замыкания или перегрузки, что может вызвать серьезные повреждения электрического оборудования. Чтобы быстрее погасить дугу, необходимо резко увеличить электрическое сопротивление в ее цепи. Для этого следовало бы не только мгновенно развести контакты, но и удалить их друг от друга на возможно большее расстояние. Обычно в электрических аппаратах электровозов вследствие ограниченных размеров развести контакты на большое расстояние не представляется возможным. Однако можно удлинить дугу, выдувая ее за пределы контактов. В большинстве электрических аппаратов электровозов это осуществляют с помощью, так называемого магнитного дутья.

Электрическая дуга выталкивается магнитным полем, создаваемым специальной дугогасительной катушкой. Ее витки включают в цепь последовательно с контактами (см. рис. 30, а). Следовательно, по катушке проходит разрываемый выключателем ток. Для того чтобы как можно дальше отбросить дугу, катушку дополняют стальными пластинами (полюсными наконечниками), расширяя тем самым область действия магнитного поля катушки.

Чтобы контакты не оплавлялись, рядом с ними устанавливают дугогасительные рога, на которые выдувается дуга. Затем она перемещается в верхнюю часть разведенных рогов потоком нагретого дугой воздуха, где и гасится. Гашению дуги во многом способствует интенсивное ее охлаждение. Поэтому рога закрывают дугогасительной камерой (рис. 31) со стенками из огнеупорного материала -- асбоцемента, обладающего большой теплоемкостью.

Рис. 17

Для увеличения интенсивности охлаждения дуги в камере делают продольные перегородки, расщепляющие дугу на отдельные параллельные ветви. Устраивают также и поперечные перегородки, способствующие удлинению дуги.

Быстродействующий выключатель регулируют на определенный ток Iуст в защищаемой цепи, по достижении которого он срабатывает. Этот ток называют уставкой быстродействующего выключателя. После того как ток достигнет значения уставки, через время tc, которое называют собственным временем выключателя, начнут расходиться контакты. Собственное время, например, для БВ, установленного на электровозе ВЛ10, составляет 0,0015--0,003 с, и ток не успевает достигнуть опасного значения. Уставку выключателя регулируют с помощью специальных винтов (см. рис. 31), которые ввинчивают в магнитопровод удерживающей катушки или вывинчивают из него, изменяя тем самым площадь сечения магнитопровода, а, следовательно, и сопротивление прохождению магнитного потока удерживающей катушки. электроснабжение выключатель двигатель реостат

Ток уставки БВ зависит от мощности локомотива; например, для электровоза ВЛ10 он равен 3100 А с допустимыми отклонениями в сторону увеличения на + 100 А и уменьшения на -- 50 А. [1-5].

Тема лекции №8 Пуск тяговых двигателей. Пусковые реостаты

Казалось, что может быть проще пуска электрического двигателя, в том числе и тягового? Стоит только, например, быстродействующим выключателем подключить двигатель к источнику электрической энергии, и якорь его начнет вращаться. Но в действительности все не так просто. В момент пуска якорь двигателя неподвижен и в обмотке его не индуцируется э. д. с, уравновешивающая подведенное напряжение. Поэтому в первое мгновение при неподвижном якоре пусковой ток зависит только от значения приложенного напряжения Uc и сопротивления rд обмоток двигателя. Это сопротивление невелико. Так, для тягового двигателя электровоза ВЛ10 оно при температуре 20° С составляет 0,025 + 0,0365 +0,0317= 0,0932 Ом (сумма сопротивлений обмоток главных полюсов, дополнительных полюсов, компенсационной обмотки и обмотки якоря). На электровозах постоянного тока всегда соединены последовательно как минимум два двигателя. При подключении к контактной сети, как показано на рис. 9, через их обмотки пойдет ток

На такой ток, как мы уже знаем, и двигатели, и оборудование электровоза не рассчитаны. Быстродействующий выключатель на электровозе ВЛ10 отрегулирован на ток 3100 А, и поэтому в момент пуска он разорвет цепь тяговых двигателей. Чтобы ограничить пусковой ток, все двигатели электровоза перед пуском соединяют последовательно. При этом к двигателю приложено напряжение

Кроме того, для ограничения тока в цепь дополнительно вводят пусковой реостат, сопротивление которого можно регулировать.
При пуске с заданным и неизменным пусковым током Iп напряжение Uд, подводимое к каждому из последовательно соединенных двигателей, уравновешивается э. д. с. и падением напряжения в реостате и обмотках тяговых двигателей:

Если скорость равна нулю, то э. д. с. также равна нулю, поскольку Е= сФv, и максимальное сопротивление пускового реостата R определяется заданным значением пускового тока:

С увеличением скорости движения в тяговых двигателях будет наводиться возрастающая э. д. с. При этом ток двигателей, сила тяги и, как следствие, ускорение начнут уменьшаться. Для обеспечения примерно постоянного ускорения нужно уменьшать сопротивление реостата так, чтобы ток двигателей и касательная сила тяги оставались постоянными. При больших мощностях тяговых двигателей и значительных токах трудно осуществить плавное реостатное регулирование. Поэтому применяют ступенчатое: выключают отдельные секции реостата с помощью аппаратов, называемых индивидуальными контакторами. Контакты К.1 и К2 индивидуальных контакторов.

Рис. 18

Если замкнуть контакты К1 контактора, то одна секция пускового реостата будет выведена из цепи тяговых двигателей и напряжение, подводимое к ним, повысится. При замыкании контактов К2 к тяговым двигателям подводится напряжение контактной сети.

Вполне понятно, что для обеспечения более или менее плавного пуска и тем самым уменьшения колебаний тока двигателя (силы тяги) следует сопротивление пускового реостата изменять небольшими ступенями. Однако при этом необходимо иметь большое число контакторов, что усложняет силовую цепь.

Ступени пускового реостата рассчитывают исходя из наибольшего допустимого тока тяговых двигателей. Ток, при котором выключается очередная секция пускового реостата, определяют исходя из так называемого коэффициента неравномерности пускового тока, который в свою очередь зависит от заданного ускорения. Таким образом, пусковой ток не постоянен, а колеблется в пределах от максимального Iп max до минимального Iп min значения. В расчетах применяют среднее арифметическое Iп этих значений.

Кроме рассмотренных ступеней реостата, предусматривают также ступени, называемые маневровыми. Они позволяют в начале пуска увеличивать силу тяги по возможности плавно, без толчков, особенно при трогании тяжелых составов. К счастью, поезд не представляет собой жестко связанного целого: сцепные приборы перед троганием не натянуты до предела и всегда обладают некоторой упругостью. Сопротивление реостата R выбирают большим, чем рассчитанное по формуле (8), чтобы обеспечить в момент трогания небольшой ток, а, следовательно, и малую силу тяги для плавного натяжения сцепных приборов. Затем сопротивление R постепенно уменьшают, при этом ток и сила тяги соответственно растут. Число маневровых ступеней, предшествующих пусковым, на электровозах равно четырем -- восьми.

Большое число ступеней реостата при минимальном числе контакторов можно получить, используя различные комбинации соединений его секций. Для того чтобы знать, на какой позиции замкнуты или разомкнуты те или иные контакты контакторов, а следовательно, какие секции реостата включены и каким образом, составляют таблицу замыкания контакторов (рис. 32). Так, если замкнуть контактор К1, при разомкнутых остальных контакторах секции а, б и в будут включены последовательно. Замкнув контакты контактора К2, выключают секцию а; при замкнутых контактах контактора КЗ в силовую цепь введена только секция в.

Включив контактор К4 и предварительно выключив контакторы К1 и К2, что не связано с разрывом электрической цепи, присоединяют секции а и б параллельно секции в, т. е. получают четвертую ступень пуска. Замкнув контакты контакторов К2, КЗ, К4, соединяют параллельно секции а и в, образуя еще одну пусковую ступень, и, наконец, включив все контакторы, выводят пусковой реостат полностью. Таким образом, имея три секции и четыре индивидуальных контактора, получают шесть ступеней (позиций) пускового реостата.

Пусковые реостаты собирают из отдельных резисторов, объединяя их в так называемые ящики.

Рис. 19

Элементы пусковых резисторов изготовляют из сплавов с большим электрическим сопротивлением. Когда выведены все ступени реостата, на каждый из восьми последовательно соединенных тяговых двигателей приходится напряжение 3000:8= 375 В, а на шестиосных электровозах 3000:6 = 500 В. В этом случае электровоз работает на ходовой (безреостатной) характеристике, подобной приведенной на рис. 11,б.

В связи с этим вернемся к рис. 5, где показано, что от точки 0 до точки 0' скорость возрастает по прямой, т. е. поезд движется с равномерным ускорением. Это означает, что машинист уменьшает сопротивление реостата, поддерживая одно и то же значение пускового тока. От точки 0' и далее до точки А движение происходит с выключенным реостатом по ходовой характеристике.

В процессе разгона поезда электровоз работает на реостатных характеристиках (позициях). Время движения с включенными ступенями реостата ограничено его нагревом. Кроме того, с увеличением этого времени возрастают и потери электрической энергии. Каково же соотношение расходов энергии, затрачиваемой на тягу поездов и на потери в реостате от начала до конца разгона поезда?

Чтобы ответить на этот вопрос, отложим в прямоугольных осях координат по оси ординат в выбранном масштабе напряжение контактной сети

Рис. 20

Uc (точка А), по оси абсцисс -- время пуска tn (точка Б). С достаточной степенью точности можно считать, что пуск электровоза происходит при неизменном токе Iп; тогда сила тяги также постоянна, а ускорение а изменяется незначительно и может быть принято неизменным. В соответствии с этим скорость движения в процессе пуска будет изменяться во времени по закону v=at, а э. д. с. двигателей Е= сФv, т. е. пропорциональна скорости, а значит, времени.

Из точек А и Б проведем перпендикулярные осям линии до пересечения их в точке В. В момент пуска (t= 0) напряжение контактной сети равно сумме падений напряжения в обмотках тяговых двигателей и в реостате, так как при v= 0 э. д. с. двигателей Е= 0. При этом основная часть напряжения Uc падает в реостате ввиду малости сопротивления обмоток двигателей. По оси ординат отложим падение напряжения в обмотках двигателя (точка Г). В конце пуска реостат полностью выведен из цепи тяговых двигателей и напряжение контактной сети уравновешивается э. д. с. двигателей и падением напряжения в их обмотках. Так как ток Iп в процессе пуска почти неизменен, то падение напряжения в обмотках двигателей в конце пуска будет таким же, что и в начале его. От точки В отложим значение этого падения напряжения -- отрезок ВД. Тогда отрезок ДБ будет соответствовать э. д. с. двигателей в конце пуска. В области ОДВГ находятся значения напряжения на участках силовой цепи в каждый момент времени пуска электровоза. Если значения напряжений умножить на ток Iп, получим в соответствующем масштабе мощности, а умножив их на время пуска tn, найдем расход электроэнергии.

Площадь четырехугольника ОАВБ соответствует в определенном масштабе расходу электроэнергии на пуск тяговых двигателей. Площадь треугольника ВГА характеризует потерю энергии в реостате, а равновеликая площадь треугольника ОДБ -- электромагнитную энергию двигателя. Площадь параллелепипеда ОГВД соответствует расходу энергии на нагревание обмоток двигателей. Так как потери энергии сравнительно невелики, можно считать, что при пуске половина электрической энергии расходуется на создание электромагнитной энергии двигателей и половина теряется в реостате.

При постоянном последовательном или параллельном соединении тяговых двигателей электровоза потери в реостатах аналогично рассмотренному случаю будут равны половине подведенной энергии. Если же переключить двигатели в процессе пуска при тех же пусковых токах Iп и времени пуска tn с последовательного на параллельное соединение, доля потерь в реостате снизится. На восьмиосных электровозах постоянного тока, работающих при напряжении в контактной сети 3000 В, применяют три способа соединения тяговых электродвигателей:

· последовательное (все восемь двигателей включены последовательно),

· последовательно-параллельное (образуются две параллельные цепи, каждая из которых содержит четыре последовательно соединенных двигателя)

· параллельное (образуются четыре параллельные цепи по два последовательно соединенных двигателя в каждой).

Диаграмма распределения напряжения при трехступенчатом пуске восьмиосного электровоза приведена на рис. 34, б. Электрические потери в обмотках электродвигателей приняты равными нулю в силу их относительной малости. Путем рассуждений, аналогичных приведенным при построении диаграммы одноступенчатого пуска, можно показать, что площадь ОВБ соответствует полезному расходу энергии, т. е. электромагнитной энергии двигателя.

Площадь треугольника Оа'в' соответствует потерям энергии в реостате при последовательном соединении тяговых двигателей. По мере разгона электровоза потери в реостате снижаются до нуля. Напряжение Uд, подводимое к каждому электродвигателю, в конце первой пусковой ступени при полностью выведенном реостате равно Uс/8 (точка в').

Для продолжения разгона проводится перегруппировка двигателей (о которой будет рассказано подробнее в на следующей страницы) с последовательного на последовательно-параллельное соединение и одновременно в цепь двигателей вводится, а затем постепенно выводится пусковой реостат. Площадь треугольника в'а «в" соответствует потерям в реостате при последовательно-параллельном соединении тяговых двигателей. Напряжение Uд, подводимое к каждому электродвигателю, в конце разгона на второй пусковой ступени равно Uс/4. Движение электровоза на каждой из этих ступеней происходит с постоянным током Iп и длится четвертую часть полного времени разгона tn при условии равномерного ускорения.

Дальнейший разгон проводится на параллельном соединении тяговых двигателей с тем же пусковым током Iп; в цепь тока включен реостат, который по мере увеличения скорости выводится. Площадь треугольника в «а» `В соответствует потерям в реостате на третьей ступени разгона. Напряжение, подводимое к тяговым двигателям, в конце пуска становится равным Uc/2 (точка В на рис. 34, б). Разгон на третьей ступени занимает половину полного времени разгона. [1-5].

Тема лекции №9 Перегруппировка двигателей. Групповые переключатели

Чтобы увеличить скорость движения, нужно повысить напряжение, подводимое к двигателю. Это достигается перегруппировкой тяговых двигателей в силовой цепи электровоза. Переключая двигатели с одного соединения на другое, можно получить на каждом из них три значения напряжения при выведенном реостате:

Буквы в скобках -- это условные обозначения соединения двигателей. В период эксплуатации первых электровозов вместо термина «последовательное соединение» использовали «сериесное», отсюда буквы С в обозначениях. Строго говоря, высшее (по напряжению) соединение двигателей не является чисто параллельным, так как в каждую ветвь включено последовательно два двигателя.

Переключение тяговых двигателей с одного соединения на другое называют переходом. Наиболее просто переход можно осуществить следующим образом: отключить тяговые двигатели от контактной сети, произвести необходимые переключения (перегруппировку двигателей) и снова подключить их к контактной сети. Сила тяги сначала снизится до нуля, а затем при включении тяговых двигателей по новой схеме возникнет ее бросок. Поэтому такой переход на магистральных электровозах не применяют.

Переходы с одного соединения тяговых двигателей на другое осуществляют: коротким замыканием части двигателей; параллельным подключением к переключаемым двигателям резисторов; по схеме моста; с помощью вентильного перехода. При всех перечисленных способах перегруппировки тяговых двигателей теряется часть силы тяги, но в разной степени.

В процессе перехода коротким замыканием в обмотках якоря двигателей продолжает индуцироваться э. д. с. вследствие остаточного магнетизма, и двигатели кратковременно работают в генераторном режиме, создавая тормозной момент. На современных восьмиосных электровозах переход с последовательного на последовательно-параллельное соединение осуществляют замыканием части двигателей секциями пускового реостата, благодаря чему снижается генераторный ток (тормозной момент). На электровозах ВЛ11 в цепь отключенных двигателей вместо резисторов включены полупроводниковые диоды -- приборы с односторонней электрической проводимостью. Это обеспечивает размыкание цепи для генераторного тока.

Операции перехода осуществляют с помощью аппаратов, называемых групповыми переключателями, которые называют еще групповыми контакторами, или кулачковыми переключателями. В них имеется один общий привод для нескольких контакторов. Собирают групповые переключатели из поставленных в ряд контакторных элементов. Контакторные элементы такого типа называют механическими, или кулачковыми, так как включение или отключение их осуществляется механическим воздействием кулачкового вала переключателя.

В отличие от индивидуальных групповые контакторы используют в цепях, где необходимо производить цикл переключений в определенной последовательности, в том числе и для переключений двигателей с одного соединения на другое.

Рис. 21

На восьмиосных электровозах для перехода с последовательного соединения на последовательно-параллельное, осуществляемого замыканием четырех тяговых двигателей на секции пускового реостата, применены групповые переключатели, имеющие четыре контакторных элемента, вал с четырьмя кулачками (по числу контакторных элементов), пневматический привод и блокировочное устройство. Кулачки имеют выступы и впадины. Выступы кулачков при повороте вала набегают на ролики подвижных контактов, что приводит к замыканию контактов контакторных элементов; впадины позволяют контактам размыкаться. Последовательность замыкания и размыкания контактов группового переключателя определяется очертанием кулачков и взаимным их расположением на валу.

Пневматический привод включает в себя цилиндр, два поршня, соединенных зубчатой рейкой, два электромагнитных вентиля В1, В2 и воздухопроводы, подводящие к приводу сжатый воздух. Чтобы управлять подачей сжатого воздуха, используют электропневматические вентили. Вентиль В2 включающего типа, В1 -- выключающего. Выключающий вентиль отличается от включающего только расположением клапанов. При обесточенной катушке выключающий вентиль открывает доступ сжатому воздуху в полость цилиндра. Если же возбудить катушку, то полость цилиндра через вентиль сообщится с атмосферой.

Привод группового переключателя имеет два фиксированных положения. Одно из них он занимает, когда катушки вентилей обесточены. Тогда сжатый воздух поступает в левую полость цилиндра и поршни перемещаются в крайнее правое положение. В другом положении привод находится, когда катушки обоих вентилей возбуждены. В этом случае левая полость цилиндра сообщается с атмосферой, а правая -- с источником сжатого воздуха. Поршни перемещаются влево, вместе с поршнями перемещается зубчатая рейка, вращающая зубчатое колесо и кулачковый вал. Контакторные элементы, контакты которых включены в силовую цепь, производят соответствующие переключения, необходимые для перехода с последовательного на последовательно-параллельное соединение тяговых двигателей.

Переход на параллельное соединение двигателей в принципе не отличается от перехода на последовательно-параллельное, только теперь к двум парам тяговых двигателей подключаются раздельно и параллельно секции пускового реостата. Переход осуществляется на восьмиосных электровозах двумя групповыми переключателями. Устройство и действие их такие же, как и у описанного выше. Разница заключается лишь в том, что вместо четырех каждый из них имеет по шесть контакторных элементов.

На отечественных шестиосных электровозах используют один групповой переключатель (вместо трех у восьмиосных), осуществляющий в заданной последовательности переключение двигателей с одного соединения на другое. Конструкция таких переключателей более сложная, так как у них уже не один, а два цилиндра с поршнями соединены зубчатой рейкой или двумя рейками, которые зубчатым колесом поворачивают кулачковый вал. Вал фиксируется в трех положениях в соответствии с тремя соединениями двигателей.

Рис. 22

При переходе по схеме моста, применяемом на пассажирских электровозах ЧС1 и ЧСЗ, электровозе двойного питания ВЛ82м, нужно иметь два реостата с равными сопротивлениями. Если их выводы включить накрест к точкам а и б (участок а--б называют мостом), ток не пойдет через контактор К и его можно отключить, не разрывая цепи.

После отключения контактора двигатели будут соединены параллельно, но ток, проходящий по их обмоткам, останется прежним, так как в цепь каждого двигателя включена секция резисторов. Следовательно, сила тяги электровоза при этом не изменится. Выводя постепенно секции резисторов R, переходят на ходовую безреостатную характеристику параллельного соединения. Токи в параллельно включенных резисторах и двигателях могут быть равны только при строго определенных скоростях и напряжении в контактной сети. В других случаях ток в мосте а--б не будет равен нулю.

Электровоз ВЛ11 может работать в составе трех и четырех секций; на нем предусмотрено три соединения двигателей: последовательное, последовательно-параллельное и параллельное. При последовательном соединении в трехсекционном варианте тяговые двигатели всех секций соединены последовательно (на каждый двигатель приходится 250 В). Если электровоз состоит из четырех секций, включаются последовательно тяговые двигатели двух секций. На последовательно-параллельном соединении четыре тяговых двигателя каждой секции соединены последовательно, на параллельном соединении -- параллельно, по два двигателя в каждом плече.

Предусмотрена возможность работы одной секции. В этом случае с последовательного соединения четырех двигателей на параллельное (по два в каждом плече) двигатели переключают, применяя вентильный переход. При этом упрощается операция перегруппировки тяговых двигателей, а время переключения уменьшается. Принцип вентильного перехода для двух группировок двигателей пояснен.

Рис. 23

Сначала при выведенных пусковых реостатах R1 и R2 (замкнуты контакторы 1, 2, 3, 4, 5, 6) и последовательном соединении двигателей (контакторы 7 и 9 разомкнуты) выключается контактор 8 и в цепь вводится диод VD. Затем после отключения контакторов 3, 4, 5 в цепь двигателя вводятся параллельно включенные реостаты R1 и R2. Чтобы соединить двигатели параллельно, включают контакторы 7 и 9. Диод VD при этом обеспечивает разделение параллельных цепей двигателей. Контакторы 4, 7, 8 к 9 выполняют групповыми. При одновременном замыкании контакторов 7 и 9 снижение тока и силы тяги в процессе перегруппировки связано только с предварительным введением реостатов. В продолжительном режиме тяги на последовательном соединении двигателей диод VD шунтирован контактором 8.

Для обратного перехода с параллельного соединения на последовательно-параллельное и, наконец, на последовательное, что необходимо в случае уменьшения скорости поезда, прекращают в определенной последовательности питание катушек группового переключателя. Кулачковые валы под воздействием перемещающихся поршней поворачиваются в противоположном направлении, производя соответствующие переключения. [1-5].

Тема лекции №10 Реверсоры

В процессе работы локомотива возникает необходимость изменять направление движения электровоза. Для этого нужно изменить направление вращения якорей тяговых двигателей, т. е. осуществить их реверсирование. Это можно сделать двумя способами:

· не меняя направления тока в обмотке якоря (рис. 43; а и б), изменить направление магнитного потока, изменив направление тока в обмотке возбуждения;

· не меняя направления магнитного потока, изменить направление тока в обмотке якоря.

Рис. 24 - Схемы, поясняющие способы реверсирования тяговых двигателей

На электровозах, как правило, для реверсирования двигателей изменяют направление магнитного потока. Это объясняется тем, что напряжение, приходящееся на обмотку возбуждения, меньше напряжения на якоре. Поэтому аппараты, осуществляющие реверсирование путем изменения тока в обмотке возбуждения, получаются проще. Однако на электровозах ВЛ10, ВЛ11 и на части электровозов ВЛ8 для упрощения силовых цепей реверсирование тяговых двигателей осуществляют, изменяя направление тока в обмотках их якорей.

Заметим, что если одновременно изменить направление и тока, и магнитного потока, т. е. полярность подведенного к двигателю напряжения, то направление вращения его якоря не изменится.

Для реверсирования тяговых двигателей применяют электрические аппараты, называемые реверсорами. На отечественных электровозах используют реверсоры кулачкового типа с контакторными элементами, приводимыми в действие кулачковым валом так же, как в групповых переключателях. Как изменяется направление тока в обмотках возбуждения в зависимости от положения поршней в цилиндре, а, следовательно, и от положения контактов 1, 2, 3, 4, показано на рис. 44, а и б.

Рис. 25 - Схема кулачкового реверсора

На силовых схемах электровозов электрические соединения пальцев и сегментов реверсоров изображают как контакты индивидуальных контакторов. Это, разумеется, относится и к условным изображениям контакторных элементов кулачковых реверсоров. На отечественных шестиосных электровозах устанавливают один реверсор для шести тяговых двигателей, на восьмиосных электровозах ВЛ8 и ВЛ10 -- два реверсора (по одному на четыре тяговых двигателя), на электровозе ВЛ11 - один реверсор на каждую секцию, имеющую четыре двигателя. [1-5].

Тема лекции №11 Электрическое торможение

Двигатели постоянного тока, в том числе и тяговые, как уже было отмечено, обладают свойством обратимости, т. е, могут работать как генераторы. При этом кинетическая и потенциальная энергия поезда преобразуются в электрическую. Получаемая энергия превращается в тепловую в резисторах или возвращается в контактную сеть. В зависимости от этого различают два вида электрического торможения: реостатное и рекуперативное.

При реостатном торможении тяговые двигатели отключают от контактной сети и включают на тормозные резисторы. Преимуществом этого способа торможения является независимость тормозного процесса от наличия напряжения в контактной сети. Применяют две системы реостатного торможения: с самовозбуждением двигателей и с независимым возбуждением.

В первом случае обмотки возбуждения двигателей соединены последовательно с обмотками их якорей. Чтобы обеспечить переход из тягового режима в тормозной, начало и конец обмоток возбуждения тяговых двигателей меняют местами с помощью контактов реверсора. Это необходимо, так как в генераторном режиме ток по обмоткам якоря проходит в направлении, противоположном его направлению в двигательном режиме, а по обмотке возбуждения ток должен проходить в том же направлении.

Рис. 26 - Схема цепей электрического торможения при включении группы тяговых двигателей на отдельный тормозной реостат

Действительно, если отсутствует напряжение, подаваемое на двигатель извне, направление тока будет определяться направлением э. д. с. двигателя, противоположным направлению внешнего напряжения.

Известно, что сталь после прекращения ее намагничивания обладает остаточным магнетизмом, который исчезает, когда изменяется направление тока в обмотках возбуждения. При этом может нарушиться самовозбуждение двигателей.

Во время торможения каждую группу, например, из двух тяговых двигателей, соединенных последовательно, можно включить на отдельный тормозной резистор Rт. Если в режиме тяги были замкнуты контакты реверсора 1, 2, то перед переходом на реостатное торможение они размыкаются и замыкаются контакты 3, 4. При этом тормозной ток Iт, проходя по обмоткам возбуждения в том же направлении, что и в двигательном режиме, создает поток, намагничивающий машину. Их общая э. д. с. увеличивается. Ток Iт возрастает до некоторого значения, определяемого скоростью движения и сопротивлением тормозного реостата Rт. Тормозную силу регулируют, изменяя ток Iт путем включения или выключения секций тормозного реостата с помощью контакторов (на рис. 45 они не показаны).

При реостатном торможении тяговые двигатели включают параллельно по два в каждом плече. В этом случае возросшее напряжение на каждом двигателе находится в допустимых пределах -- в 1,5--1,7 раза выше, чем в тяговом режиме, и можно использовать в режиме торможения пусковой реостат. Однако при параллельном соединении двигателей последовательного возбуждения приходится принимать специальные меры для обеспечения их устойчивой работы и равномерного распределения тока между ними. Если двигатели включить параллельно (рис. 46 -- замкнуты контакты 1, 2, а контакты 3, 4 разомкнуты), реостатное торможение неустойчиво, так как любое случайное увеличение тока в одной из двух ветвей, содержащих по два последовательно соединенных двигателя, увеличивает э. д. с. двигателей этой ветви. Появляется уравнительный ток, который еще больше нагружает их и разгружает двигатели другой ветви. Это может, в конце концов, привести к короткому замыканию двигателей первой ветви и полному размагничиванию, а затем и перемагничиванию двигателей второй ветви.

(Электрически устойчивой является система, в которой при нарушении установившегося состояния, вызванном так называемыми возмущающими воздействиями, токи и напряжения изменяются, но после исчезновения этих воздействий принимают прежние установившиеся значения. Если меняются условия, определяющие установившийся режим (например, напряжение сети, сопротивление тормозного реостата), то устойчивая система принимает новое состояние равновесия. Система, не удовлетворяющая этим условиям, неустойчива.)

Наилучшее распределение нагрузок между тяговыми машинами и их устойчивую работу обеспечивает так называемая перекрестная схема

Если по какой-либо причине э. д. с. двигателей I, II, а, следовательно, и ток будут больше, чем соответственно э. д. с. и ток двигателей III, IV, ток в обмотках возбуждения последних будет возрастать, пока э. д. с. двигателей I, II и III, IV не станут равными.

Рис. 27 - Схема цепей электрического торможения с общим тормозным реостатом при перекрестном включении обмоток возбуждения

В случае параллельного соединения трех групп двигателей возможно применение так называемой циклической схемы реостатного торможения, при которой обмотка возбуждения каждого двигателя соединена последовательно с якорем двигателя другой параллельной ветви. Подразумевается такое включение обмоток, при котором их потоки не размагничивают двигатели.

Реостатное торможение двигателей с самовозбуждением имеет ряд недостатков. Одним из них является сравнительно медленное самовозбуждение и относительно большое время, которое требуется для создания необходимой тормозной силы. Чтобы ускорить самовозбуждение, можно подать дополнительное напряжение от независимого источника либо на основную обмотку возбуждения, либо на специальную добавочную обмотку с небольшим числом витков. При этом начальная э. д. с. определяется уже не потоком остаточного магнетизма, а значительно большим магнитным потоком.

Тормозную силу регулируют, изменяя как сопротивление Rт, так и магнитный поток двигателей, для чего изменяют напряжение независимого источника.

В случае рекуперативного торможения электрическая энергия, возвращаемая в контактную сеть рекуперирующим электровозом, потребляется электровозами, находящимися с ним на одном участке и работающими в тяговом режиме. Если таких электровозов нет или необходимая им энергия меньше рекуперируемой, то так называемая избыточная энергия рекуперации через устанавливаемые на тяговой подстанции специальные устройства -- инверторы, преобразующие постоянный ток в переменный трехфазный, направляется в энергосистему. На электрифицированных участках с очень интенсивным движением, где, как правило, почти вся рекуперируемая энергия потребляется электровозами или электропоездами, работающими в режиме тяги, иногда вместо инверторов на подстанциях устанавливают поглощающие резисторы. Они автоматически включаются при наличии избыточной энергии рекуперации.

Применение рекуперации дает большой эффект. На отдельных участках с крутыми спусками может быть сэкономлено до 20% электрической энергии, затрачиваемой на тягу поездов. Преимущества рекуперативного торможения этим не ограничиваются. Когда поезд следует по крутому спуску, для того чтобы его скорость не превысила допустимую, обычно локомотив и состав периодически подтормаживают пневматическими тормозами. В результате скорость движения поезда уменьшается, а затем вновь возрастает, т. е. средняя скорость его на спуске ниже допустимой. Кроме того, все время притормаживать поезд нельзя, так как истощается пневматическая тормозная система, снижается коэффициент трения колодок вследствие их нагревания. При рекуперативном торможении можно обеспечить на спуске постоянную скорость, близкую к допустимой, зависящей от состояния пути, конструкции электровозов, вагонов, контактной сети. Кроме того, к контактной сети при рекуперации подключается дополнительный источник энергии, напряжение в ней повышается, и другие электровозы на этом участке, следующие по подъему или площадке, могут развивать более высокую скорость.

Благодаря электрическому торможению также значительно уменьшается износ тормозных колодок и колес подвижного состава, в результате чего намного снижаются расход металла и затраты на ремонт колесных пар.

Системы рекуперативного торможения должны обеспечивать постоянный ток рекуперации в тяговых двигателях и тормозной момент в условиях непрерывного изменения напряжения в контактной сети. Напряжение в контактной сети колеблется хотя бы потому, что от нее в разные периоды питается различное количество электровозов и электропоездов, да и потребляемая ими мощность меняется в очень широких пределах. При эти возможны резкие изменения тока рекуперации. Этот ток определяется разностью суммарной э. д. с. последовательно соединенных двигателей и напряжения в контактной сети, деленного на сопротивление их обмоток. Общее сопротивление обмоток двигателей, даже соединенных последовательно, как отмечалось выше, мало. Поэтому, даже относительно небольшие резкие изменения разности суммарной э. д. с. и напряжения сети вызывают большие броски тока.

Предположим, что в контактной сети по какой-либо причине напряжение увеличилось. Тогда ток в якоре тягового двигателя, работающего в режиме генератора, может изменить направление, и двигатель автоматически перейдет в тяговый режим. Вместо того чтобы тормозить поезд, двигатель будет разгонять его. При понижении напряжения, наоборот, ток рекуперации резко увеличится, тормозной момент возрастет и в поезде возникнут сильные толчки вследствие набегания хвостовых вагонов.

Следовательно, при допустимых нормами колебаниях напряжения в контактной сети в системе рекуперативного торможения должен автоматически поддерживаться примерно один и тот же ток рекуперации, а значит, и тормозной момент, установленный в зависимости от условий движения поезда.

Напомним, что для перехода двигателя из тягового режима в генераторный необходимо, чтобы э. д. с. в обмотке якоря стала больше приложенного напряжения, т. е. напряжения в контактной сети. Но двигатель с последовательным возбуждением не может перейти в режим генератора, потому что магнитный поток возбуждения в нем резко снижается при уменьшении нагрузки, а э. д. с. в обмотке якоря не может стать выше напряжения в сети.

Для того чтобы осуществить рекуперативное торможение, необходимо обмотки возбуждения отключить от обмоток якорей и питать их от постороннего источника энергии, например от специального генератора возбудителя В.

Рис. 28 - Схема рекуперативного торможения при независимом возбуждении тяговых двигателей со стабилизирующим резистором Rст (а) и с противовозбуждением возбудителя (б)

Якорь возбудителя приводится во вращение двигателем Д. В этом случае можно установить в обмотках возбуждения такой ток, при котором э. д. с. в обмотках якорей тяговых двигателей станет больше напряжения в контактной сети. Если скорость движения поезда уменьшится, то может снизиться э. д. с. двигателей, работающих в режиме генераторов. Однако достаточно увеличить ток возбуждения Iв чтобы поддержать необходимую э. д. с, а значит, ток и тормозной момент, создаваемый двигателями. Для этого регулируют ток Iв в независимой обмотке возбуждения возбудителя В, изменяя сопротивление реостата П..

Схемы, построенные по такому принципу, можно использовать для рекуперативного торможения нескольких параллельно включенных двигателей. При этом в каждой цепи двигателя имеется стабилизирующий резистор R т, а обмотки возбуждения подключены к общему возбудителю В. Стабилизирующие резисторы обеспечивают электрическую устойчивость системы в режиме рекуперативного торможения, но они жесоздают и присущий схеме недостаток: значительные потери энергии в этих резисторах и необходимость повышенной мощности возбудителя для их компенсации.

Предложено несколько схем, свободных от этого недостатка. Так, на восьмиосных электровозах для осуществления рекуперативного торможения используют противовозбуждение возбудителя (рис. 47, б). В этом случае обмотки возбуждения ОВ тяговых двигателей подключают к якорю возбудителя В. Возбудитель имеет две обмотки: независимую ОНВ, напряжение в которую подается от постороннего источника энергии, и обмотку противовозбуждения ОПВ, включенную последовательно в цепь тока рекуперации. Магнитные потоки обеих обмоток, создаваемые соответственно токами Iонв и Iр, направлены встречно. При увеличении тока рекуперации в случае уменьшения напряжения в контактной сети ток обмотки противовозбуждения снижает результирующий магнитный поток возбуждения возбудителя. Соответственно уменьшаются возбуждение генератора (тягового двигателя) и его э. д. с. Когда напряжение в контактной сети повышается, ток рекуперации уменьшается и все процессы в схеме проходят в обратном порядке. При рекуперативном торможении с использованием противовозбуждения обмотки возбуждения двигателей включают так же, как и при реостатном торможении, по циклической схеме. Это позволяет выравнивать токи в параллельных цепях якорей двигателей в случае повышения э. д. с. в одной из них.

В зависимости от скорости движения поезда рекуперативное торможение применяют на трех соединениях якорей тяговых двигателей. Если скорость движения большая, используют параллельное соединение. В случае малой скорости движения получить большую э. д. с. машин невозможно, и тогда применяют последовательно-параллельное или последовательное соединение.

Необходимые переключения в силовой цепи для перехода в рекуперативный режим производят тормозным переключателем. По устройству он аналогичен реверсору (см. рис. 44). На электровозах серий ВЛ8, ВЛ10, ВЛ11 (в двухсекционном исполнении) устанавливают два кулачковых тормозных переключателя. [1-5].

Тема лекции №12 Системы электроснабжения вагонов

Системой электроснабжения называют комплекс оборудования, предназначенный для выработки и распределения электрической энергии потребителям вагона. В зависимости от расположения источников электрической энергии и их использования системы электроснабжения делятся на автономные и централизованные.

Автономная система электроснабжения получила наибольшее распространение. В пассажирском вагоне с этой системой имеются собственные источники электрической энергии (генератор и аккумуляторная батарея), обеспечивающие питание потребителей электроэнергией при движении и на стоянке. Основным источником электроэнергии служит генератор, который приводится во вращение от оси колесной пары вагона с помощью специального привода. Применяются генераторы постоянного и переменного тока. Для автономных систем с приводом генератора от оси колесной пары приняты два стандартных напряжения: для вагонов без кондиционирования воздуха 50 В, для вагонов с кондиционированием воздуха 110 В.

Централизованная система электроснабжения в настоящее время получила небольшое распространение. В этой системе потребители всех вагонов получают питание от локомотива или специального вагона - электростанции. Источниками электрической энергии служат дизель - генераторные агрегаты или специальные преобразователи, питающиеся от контактной сети напряжением 3 кВ постоянного тока или 25 кВ переменного тока через токоприемник электровоза. Электрическая энергия передается к потребителям по соответствующим электромагистралям.

Вагон-электростанция включается в поезд в основном на не электрифицированных участках. В вагоне-электростанции установлены несколько дизель-генераторных агрегатов, регулирующая и коммутационная аппаратура, вспомогательные устройства для пуска охлаждения дизелей и подачи к ним топлива.