Електрифіковані залізні дороги - Стор 7
Тяговий електродвигун є головним компонентом силового ланцюга електровоза або моторного електровагону. Розглянемо схему електричних з'єднань обмотки якоря та обмоток збудження полюсів (рис. 2.2). Обмотки полюсів у корпусі тягового двигуна послідовно з'єднані так, що при протіканні струму по цьому ланцюгу північні N і південні S полюси чергуються. Початок і кінець цього ланцюга позначають відповідно К та КК. Нерухомі обмотки полюсів електрично з'єднані з обмоткою якоря тягового двигуна, що обертається, в послідовний ланцюг через щітки притиснуті щіткотримачами до циліндричної поверхні колектора. Кількість цих щіток дорівнює кількості полюсів електродвигуна. До щіток приєднані дроти, що з'єднують обмотку якоря з іншими елементами електричного силового ланцюга двигуна і електрорухомого складу в цілому. Щоб розрізняти початок і кінець обмотки якоря їх позначають відповідно Я і ЯЯ. Таким чином, незалежно від числа головних полюсів (звичайнотяговий електродвигун має чотири вивідні зовнішні проводи: К і КК від обмотки збудження, Я і ЯЯ від обмотки якоря, тобто від щіток.
Мал. 2.2. Схема електричних з'єднань обмотки якоря та обмоток збудження тягового електродвигуна
У тяговому електродвигуні (рис. 2.3) на внутрішній поверхні корпусу остова 1 відлитого зі сталі, болтами закріплені сердечники головних полюсів 4 і 9, на яких розташовані котушки 3 і 8 обмотки збудження. Сердечник якоря 7 і колектор 11 напресовані на вал 6, який обертається в роликових підшипниках 5, встановлених у підшипникових щитах 12. На остові передбачені щіткотримачі 10 кількість яких дорівнює числу щіток або числу головних полюсів . При роботі електродвигуна з його якірної обмотки таобмотці збудження протікає електричний струм, що створює крутний момент, але при цьому викликає втрати енергії в двигуні та нагрівання обмоток. Для
охолодження двигуна в його кістяку передбачений патрубок 2, яким в електровозах надходить повітря від вентилятора, встановленого в кузові електровоза. Тягові двигуни електровозів постійного струму мають потужність кВт при номінальній напрузі 1500 В. Ізоляція обмоток щодо кістяка виконана на максимальну напругу контактної мережі 4000 В.
Мал. 2.3. Тяговий електродвигун постійного струму
При напрузі контактної мережі 3000 включають послідовно не менше двох двигунів. Тягові двигуни електропоїздів приміського сполучення мають потужність до кВт при номінальній напрузі електропоїздів старих випусків 1500 В (електропоїзд ЕР2), як і на електровозах. Але на електропоїздах наступних випусків (ЕР2Р, ЕР2Т, ЕД2Т, ЕД4, ЕД4М, ЕД4МК, ЕР200) встановлені тягові двигуни з номінальною напругою 750 В, що полегшує реалізацію електричного гальмування – рекуперативного та реостатного, коли тяг. У силовий ланцюг цих електропоїздів послідовно включено не менше чотирьох двигунів. Це дозволяє знизити міжламельну напругу на колекторі та значно підвищує надійність двигуна.
Тягові двигуни вагонів метрополітену отримують живлення від контактної рейки (825 В) і мають потужність до 100 кВт при номінальній напрузі 412,5 В. На міському електротранспорті (трамвай та тролейбус) тягові двигуни потужністю кВт живляться від мережі напругою.
Струмоприймач Тп, встановлений на даху кузова електровоза або моторного вагона (див. рис. 2.1), подає живлення на силовий ланцюг е.п.с. Він забезпечує надійнийбезперервний контакт електровоза, що рухається, або моторного вагона електропоїзда з контактним проводом. Для цього
пружинний механізм струмоприймача створює постійну силу натискання контактного елемента незалежно від висоти підвісу контактного дроту. Основа струмоприймача 1 (рис. 2.4) спирається через ізолятори 2 на дах кузова електровоза або моторного вагона. Навколо шарнірів 5 можуть повертатися нижні важелі 6 рухомої рами струмоприймача, з'єднані шарнірами 7 з верхніми важелями 8 на яких пружно закріплені один або два полози 9, що ковзають, при русі поїзда, по контактному проводу. Полози 9 мають графітові або мідні накладки, притиснуті до контактного проводу і утворюють ковзний електричний контакт. Підйом струмоприймача в робоче положення виконує пружина 3, яка повертає важелі 6. Для опускання струмоприймача в неробоче положення передбачена сильніша опускаюча пружина 4, яка при піднятому струмоприймачі заблокована пневматичним циліндром 10. Якщо ж з останнього випустити слабшої підйомної пружини 3 і опустить струмоприймач у неробоче положення.
Мал. 2.4. Струмоприймач (а) та його кінематична схема (б)
Струмоприймачі е.п.с. постійного та змінного струму мають незначні відмінності. За однакової потужності е.п.с. Струм, споживаний з контактної мережі постійної напруги 3 кВ більше приблизно в 8 разів, ніж для змінної напруги 25 кВ. Тому струмоприймачі постійного струму мають більш високу силу натискання на контактний провід до 180 Н, а для змінного струму достатньо натискання Н. Розглянута конструкція струмоприймача добре працює при швидкостях до 160 км/год. Для швидкісного рухомого складу (до 300 км/год)використовують струмоприймачі спеціальної конструкції із суворо стабілізованим натисканням. Вони забезпечують хороший струмознімання при будь-яких швидкостях, але при строго постійній висоті контактного проводу, що досягається застосуванням спеціальних контактних підвісок, які будуть розглянуті нижче.
Апарати силового ланцюга е.п.с. знаходяться під напругою понад 1000 В і дотик до них у робочому стані є небезпечним для життя.
Крім того, в цих апаратах протікають струми, що вимірюються сотнями і навіть тисячами ампер, так що для надійної роботи апарату його контакти повинні бути притиснуті один до одного силою Н. Ці дві обставини унеможливлюють перемикання апаратів безпосередньо зусиллям руки машиніста. Тому на е.п.с. застосовують непряме управління, при якому всі апарати силового ланцюга мають пневматичні або електричні приводи для переміщення рухомих контактів, а машиніст в кабіні управління перемикає тільки ланцюги управління цими приводами, якими протікають невеликі струми близько 1 А при напрузі 50 або 110 В. Непряме управління має такі переваги: перемикання ланцюгів керування не вимагає від машиніста значних фізичних зусиль; розміщення високовольтних електричних апаратів силового ланцюга в закритій та заблокованій високовольтній камері виключає можливість потрапляння людей під напругу; є можливість керувати з однієї кабіни декількома зчепленими електровозами або моторними вагонами (система багатьох одиниць); можлива повна автоматизація управління.
Принцип непрямого керування реалізується силовими контакторами.
Контактор – це електричний апарат з непрямим керуванням, призначений для замикання та розмикання силового ланцюга (назва походить від англійського словаcontact – дотик). Контактор (рис. 2.5 а) має силові контакти: нерухомий 1 і рухомий 2, з'єднані з проводами силового ланцюга електровоза. Для переміщення рухомого контакту 2 служить пневматичний привід 4, пов'язаний з рухомим силовим контактом 2 ізоляційним стрижнем 3. На трубопроводі 5 стисненого повітря встановлений електромагнітний вентиль 6. Машиніст включає котушку вентиля 6 вимикачем 7 , який встановлений в кабіні машиніста і з'єднаний з джерелом низько або 110 В проводами ланцюга керування.
Мал. 2.5. Кінематична схема електропневматичного (а) та електромагнітного (б) контакторів
В індивідуальних контакторах е.п. набагато рідше використовують також електромагнітний привід (рис. 2.5 б). Такі контактори також мають силові контакти: нерухомий 1 і рухомий 2, причому, важіль рухомого 3 контакту переміщається електромагнітом 4, який керується низьковольтним вимикачем 5 . У групових контакторних апаратах, наприклад електровозах змінного струму, зазвичай використовують спеціальний електродвигуновий привід.
Контактори в силовому ланцюзі е.п.с. виконують різні функції. Лінійний контактор ЛК (див. рис. 2.1) призначений для замикання або розмикання силового ланцюга в процесі керування електровозом. Послідовно з тяговими двигунами включений резистор пусковий r, розділений на кілька секцій. Контактори підключені паралельно до секцій пускового резистора, призначені для ступінчастого регулювання його опору. Контактори 21, 22 і 23 служать для з'єднання тягових електродвигунів у різні схеми угруповання (З, СП, П).
При включеному контакторі 22 і відключених контакторах 21 і 23 всі чотири тягові двигуни з'єднані послідовно (угруповання З). При замкнутих контакторах 2123 і розімкнутому 22 тягові двигуни включені в дві паралельні гілки по два двигуни послідовно в кожній (угруповання П). З'єднання тягових двигунів, при якому в кожній паралельній гілки залишається по одному двигуну, не передбачається, так як тягові двигуни постійного струму мають номінальну напругу не вище 1500 і не розраховані на пряме підключення до контактної мережі з напругою 3000 В.
Для ослаблення збудження тягових електродвигунів паралельно обмоткам збудження підключають шунтуючі резистори контакторами Ш1 та Ш2.
Пусковий резистор виконаний із металевої стрічки, намотаної на керамічні ізолятори. Оскільки при протіканні струму стрічка нагрівається до плюс С, то дуже важливо, щоб її електричний опір при цьому не змінювалося. Для цього розроблено спеціальні сплави. Зазвичай застосовують стрічку зі сплаву заліза, хрому та алюмінію (фехраль). Пусковий резистор із контакторами для перемикання його секцій називають пусковим реостатом. Опір пускового реостата змінюють ступенями при перемиканні його секцій контакторами. Пусковий реостат має найбільший опір, коли контактори 1 - 20 розімкнуті. При почерговому включенні цих контакторів окремі щаблі пускового резистора замикаються коротко і опір в ланцюзі тягових двигунів відповідно поступово, в міру розгону поїзда, зменшується до нуля. На рис. 2.6, a наведена схема з послідовним закорочення секцій при замиканні контакторів в якій кількість ступенів регулювання загального опору резистора R дорівнює кількості контакторів. Там же дано таблицю замикання контакторів, яка пояснює роботу цієї схеми, в якій
перераховано позиції регулювання, вказано опір пускового реостату на кожній позиції та наданономери замкнених при цьому контакторів. На рис. 2.6 б наведена більш складна схема, яка дозволяє збільшити число ступенів, застосовуючи комбіноване включення секцій реостату. Тут кількість контакторів та секцій реостату менша.
Мал. 2.6. Схеми пускового реостату з послідовним виведенням секцій (а) та з комбінованим включенням секцій (б)
Режими роботи пускового або гальмівного реостата на електровозі та електропоїзді суттєво відрізняються один від одного. Процес розгону електровоза з важким вантажним поїздом, особливо на підйомі, може тривати кілька хвилин. Ще тривалішим може бути режим реостатного гальмування вантажного поїзда під час руху затяжним спуском на гірській ділянці. Тому на електровозах завжди передбачають примусове охолодження реостату від вентилятора. Причому для економії енергії електродвигун вентилятора вигідно підключати паралельно до однієї з секцій цього ж реостату. На електропоїздах реостат навантажений пусковим струмом не більше ніж у кожному циклі руху від зупинки до зупинки. Тому такий реостат встановлюють під кузовом моторного вагона або на його даху, де відбувається природне охолодження секцій реостату потоком зустрічного повітря.
Реверсор - це електричний апарат, призначений для зміни напрямку руху е.п. (Від англійської reverse - протилежність). Цього можна досягти двома способами: змінити напрям струму I в якірних обмотках тягових двигунів, зберігши колишнім напрямок струму збудження та магнітного потоку головних
полюсів (рис. 2.7, а), або змінити напрямок струму в обмотках збудження зберігши колишнім напрямок струму в якірних обмотках (рис. 2.7, б). Для таких перемикань потрібно чотири контактори на кожну групу тягових.електродвигунів. Контактори (див. рис. 2.1) зазвичай об'єднані в один груповий апарат – реверсор із загальним пневматичним приводом. Під час руху вперед замкнуті контактори з парними номерами, під час руху назад – контактори з парними номерами.
Мал. 2.7. Схеми реверсування якоря (а) та обмотки збудження (б) тягового двигуна
Працюючи е.п.с. постійного струму мають місце втрати енергії у пускових резисторах. При пуску струм тягового двигуна I д підтримують
постійним та рівним струму регулювання I п . Для цього в ланцюг тягового
двигуна, що живиться від мережі з напругою на струмоприймачі U Е (мал. 2.8, а), повинен бути включений резистор опором якого визначимо з рівняння рівноваги
U Е = U д + U r = C Ф v + I п (r + r д) як
r = U Е - C Ф v - r д, I п
де r д - Опір обмоток двигуна.
Мал. 2.8. Реостатний пуск при одному угрупованні тягових двигунів: а – принципова схема; б – діаграма вимірювання опору пускового резистора та пускова характеристика; в – діаграма розподілу напруг при пуску
Щоб у міру зростання швидкості електровозу струм двигуна залишався постійним, пусковий опір потрібно поступово зменшувати від
до нуля (рис. 2.8, б). При пуску одиночного тягового двигуна від