Архитектура Аудит Военная наука Иностранные языки Медицина Металлургия Метрология Образование Политология Производство Психология Стандартизация Технологии |
Воздействие на энергосистему
Мощность тяговой подстанции постоянна, поэтому желательно, чтобы ПС потреблял постоянную мощность Если двигатель обладает жесткими характеристиками (двигатель параллельного возбуждения), то при увеличении силы тяги скорость практически не меняется. Следовательно, потребляемая мощность увеличивается пропорционально увеличению силы тяги. У двигателей с мягкими характеристиками (посл. Возб) увеличение силы тяги сопровождается почти пропорциональным уменьшением скорости, вследствие чего потребляемая мощность увеличивается в меньшей степени, чем у двигателей параллельного возбуждения. В пределе, если двигатель обладает чисто гиперболической характеристикой, которая определяется выражением , нагрузка двигателя постоянна при любых условиях движения. Следовательно, с точки зрения системы электроснабжения наиболее предпочтительными являются мягкие характеристики. Как показывают расчеты, мощность тяговой подстанции при мягких характеристиках может не превышать 1, 5 средней потребляемой, в то время как при применении двигателей параллельного возбуждения мощность ТП должна превышать эту мощность в 3 – 4 раза. Регулирование скорости и рекуперация С этой точки зрения двигатели параллельного и согласно-смешанного возбуждения имеют преимущества по сравнению с двигателем последовательного возбуждения. Изменяя магнитный поток параллельной обмотки возбуждения, можно тем самым регулировать скорость в широких пределах. Одним из основных преимуществ этих двигателей является автоматический переход в генераторный режим, что позволяет легко осуществлять рекуперативное торможение. Конструктивные показатели и оценка двигателей ВВ этом отношении двигатели последовательного возбуждения, имеющие простую обмотку возбуждения из обмоточной меди с большой площадью сечения, обладают значительным преимуществом по сравнению с двигателями параллельного и согласно-смешанного возбуждения, у которых параллельная обмотка, имеющая много витков из провода малой площади сечения, ненадежна как в механическом, так и в электрическом отношении. этом отношении двигатели последовательного возбуждения, имеющие простую обмотку возбуждения из обмоточной меди с большой площадью сечения, обладают значительным преимуществом по сравнению с двигателями параллельного и согласно-смешанного возбуждения, у которых параллельная обмотка, имеющая много витков из провода малой площади сечения, ненадежна как в механическом, так и в электрическом отношении. Наличие параллельной обмотки в свою очередь приводит к увеличению габаритов и усложнению конструкции двигателя.личие параллельной обмотки в свою очередь приводит к увеличению габаритов и усложнению конструкции двигателя. Таким образом, можно сделать вывод, что в результате сравнения двигателей различных систем возбуждения наиболее полно удовлетворяют условиям электрической тяги двигатели последовательного возбуждения. На ГЭТ применяются двигатели согласно-смешанного возбуждения благодаря возможности простого регулирования скорости в широких пределах, а также простое осуществление рекуперативного торможения. Двигатели параллельного возбуждения в электрической тяге не применяются. Классифицировать двигатели по следующим показателям: 1. Электрическая устойчивость 2. Механическая устойчивость 3. Равномерное распределение нагрузок 4. Отсутствие склонности к возникновению боксования 5. Устойчивость коммутации 6. Наименьшее воздействие на энергосистему 7. Возможность регулирования скорости в широких пределах 8. Возможность применения рекуперации 9. Простота конструкции
ЛЕКЦИИ 6 - 9 ПУСК И РЕГУЛИРОВАНИЕ СКОРОСТИ ПОДВИЖНОГО СОСТАВА Способы пуска Условия пуска. Учитывая, что для электрического городского подвижного состава характерны частые остановки с последующими пусками, параметры пускового периода необходимо выбирать так, чтобы обеспечивались наиболее экономичные и безопасные условия его работы. В момент трогания подвижного состава, когда v= 0, э. д. с. Е = СФv тяговых двигателей также равна нулю. Если двигатель включить на номинальное напряжение, то его ток определяется отношением приложенного напряжения к сопротивлению силовой цепи и будет равен току короткого замыкания , который может привести к нежелательным явлениям: нарушению коммутации тяговых двигателей, созданию больших механических нагрузок в передаче, возникновению боксования. Для предотвращения этих явлений и ограничения пускового тока необходимо либо прикладывать к двигателю пониженное напряжение, либо последовательно с тяговыми двигателями включать регулируемые пусковые резисторы (реостаты). Постепенно выключая ступени реостата от скорости, равной нулю, до скорости окончания пуска vп производят реостатный пуск. В этот период э. д. с. двигателей возрастает настолько, что возможен переход при определенном значении пускового тока Iп на характеристики двигателя при выключенных реостатах. При движении подвижного состава желательно осуществлять его пуск с наибольшим током Iпmax. В этом случае увеличивается пусковая сила тяги и пусковое ускорение, повышается средняя скорость движения и уменьшаются потери в пусковых реостатах. Но, несмотря на эти преимущества, нельзя выбирать пусковой ток произвольно большим. Его значение ограничивается условиями сцепления и мощностью тяговых двигателей. Желательно поддерживать пусковой ток постоянным Iп = const. Этому соответствует практически неизменная пусковая сила тяги Fп и постоянное пусковое ускорение ап. Таким образом, пусковой процесс желательно вести при: Необходимо также отметить, что при трогании подвижного состава в момент включения тяговых двигателей ток и сила тяги должны быть немного снижены, так как быстрое увеличение тока и вращающего момента могут вызвать удары в передаче от вала двигателя к движущим осям. Резкое увеличение силы тяги может привести к обрыву сцепных приборов, а также вызвать неприятные ощущения у пассажиров. Поэтому в самом начале пуска следует несколько ограничить пусковой ток и силу тяги и постепенно увеличивать их до значений Iп и Fп . Пусковой ток (1) или (2) Так как Iп = const, выражение (2) можно представить в виде . (3) Из выражения (3) следует, что напряжение на двигателях пропорционально скорости v (рис. 1).
Рис. 1. Процесс пуска тягового двигателя
В настоящее время применяют следующие системы пуска: - плавный реостатный пуск, при котором в течение всего времени пуска поддерживается неизменный пусковой ток; - ступенчатый реостатный пуск; - безреостатный пуск, который осуществляется с помощью импульсных преобразователей. Плавный реостатный пуск. При плавном реостатном пуске последовательно с двигателем включается реостат. Для поддержания неизменным пускового тока необходимо плавно выводить пусковой реостат по мере увеличения скорости. Ток двигателя при включении последовательно с ним пускового реостата Rn (4) Из выражения (4) можно определить зависимость сопротивления пускового реостата от скорости (5) В момент трогания поезда, когда v = 0, начальное значение сопротивления пускового реостата , (6) Или . После включения тягового двигателя скорость поезда начинает увеличиваться. Возникает э. д. с, равная СФv, которая также увеличивается с ростом скорости. Если сопротивление пускового реостата Rn0 в цепи двигателя будет неизменным, то согласно выражению (4) начнет уменьшаться пусковой ток. Для того чтобы поддерживать его постоянным, необходимо выводить пусковой реостат по мере увеличения скорости. Закон изменения сопротивления пускового реостата можно получить, если решить уравнение (4) относительно Rn, считая I = Iп и Ф = Фп: (8) или (9) При Iп = const магнитный поток также будет постоянен, т. е. Фп = const. Обозначив в уравнении (9) постоянную величину U/In через А, а СФ/Iп через В, получим Rn + r = A – Bv (10) Изобразим графически зависимость сопротивления пускового реостата от скорости Rn(v) при Iп = const. На рис. 2 отложим по оси ординат скорость, по оси абсцисс - вправо ток двигателя, влево - полное сопротивление силовой цепи двигателя Rп + r.
Рис. 2. Построение зависимости сопротивления пускового реостата от скорости при Iп = const
В правом координатном углу построим скоростную характеристику v(I) при полностью выведенном пусковом реостате. Так как зависимость Rn(v) согласно выражению (10) при Iп = const является прямолинейной, то график ее может быть построен по двум точкам. Одну из этих точек а получим в момент трогания подвижного состава, когда v = 0 и . Другую точку b можно получить при полностью выведенном пусковом реостате, т. е. при Rn = 0 и так как при этом v = vn. Пусковая скорость vn может быть найдена по скоростной характеристике v(I) при токе Iп. Точка с соответствует моменту полного выведения пускового реостата, т. е. выхода на автоматическую естественную характеристику. Если эту точку перенести на ось, отстоящую от оси ординат на величину r, то получится точка b. Соединив прямой линией точки а и b, получим закон, по которому необходимо непрерывно уменьшать сопротивление реостата Rn, чтобы пусковой ток на всем протяжении пуска оставался постоянным. По мере увеличения скорости подвижного состава сопротивление пускового реостата уменьшается по закону прямой линии (прямая ab). Точка b соответствует моменту выхода на автоматическую характеристику, при этом пусковой реостат полностью выведен (Rn = 0), после чего двигатель работает по автоматической характеристике, и скорость изменяется в зависимости от тока подвижного состава и сил сопротивления движению. Плавным регулированием сопротивления пускового реостата обладают системы пуска с многокулачковыми или коллекторными контроллерами (трамвай «Татра»), с угольными реостатами. Такая система пуска относительно сложна, так как плавное регулирование пускового реостата связано с усложнением системы управления. Поэтому наэлектроподвижном составе до настоящего времени в основном применяется ступенчатое выведение пускового реостата. Ступенчатый реостатный пуск. Пусковой реостат разделяется на отдельные секции. Отпайки от каждой секции присоединяют к контакторам контроллера (система непосредственного управления) или к электромагнитным контакторам. В настоящее время электромагнитные контакторы заменяются реостатным контроллером с групповым приводом, приводимым в действие серводвигателем (система косвенного управления). По мере разгона подвижного состава постепенно закорачиваются отдельные секции пускового реостата, уменьшается его сопротивление. При этом получается ступенчатое выведение пускового реостата отдельными секциями. При ступенчатом реостатном способе пуска уже невозможно поддерживать постоянным пусковой ток Iп, а следовательно, пусковое ускорение ап и пусковую силу тяги Fп, Они будут изменяться в некоторыхпределах от максимума до минимума. Во время разгона подвижного состава на какой-либо ступени реостата с неизменным сопротивлением ток начнет уменьшаться, так как будет возрастать э. д. с. по характеристике, соответствующей данной ступени пускового реостата. В момент выключения ступени реостата происходит переход с одной скоростной характеристики на другую, которая соответствует меньшему значению сопротивления пускового реостата. В результате этого резко возрастает ток двигателя. Выбор пускового тока. В случае ступенчатого пуска стараются ограничить колебания пускового тока. Пуск производят при каком-то среднем значении пускового тока Iпср, который не должен быть выше максимального тока Iпmax, соответствующего наибольшей допустимой нагрузке двигателя и условиям сцепления, и не меньше минимального тока Iп min, т. е., (11) Неравномерность пускового тока характеризуется коэффициентом неравномерности , (12) Где (13)
Колебания пускового тока вызывают колебания пусковой силы тяги и пускового ускорения. Таким образом, плавность пуска характеризуется коэффициентами неравномерности по току , по силе тяги и по ускорению , где Iп ср, Fпср и апср - средние значения тока, силы тяги и ускорения в процессе пуска. Соотношение этих коэффициентов для одного и того же расчетного режима таково: кI< кF< ка. Чем больше коэффициент неравномерности, тем больше колебание соответствующих величин от максимума до минимума, тем менее плавный разгон подвижного состава в период пуска. Поэтому, чтобы обеспечить плавность пуска, необходимо выбирать возможно меньший коэффициент неравномерности. С другой стороны, чем меньше коэффициент неравномерности, тем больше требуется ступеней пускового реостата. Увеличение ступеней пускового реостата и позиций контроллера усложняет систему пуска. Значение расчетного пускового тока выбирается из следующих соображений. С одной стороны, значение расчетного пускового тока Iпmax должно быть меньше наибольшего допустимого тока по коммутации Iком, с другой - пусковой режим должен быть ограничен по сцеплению: (14) (15) Выражения (14) и (15) определяют наибольшее допустимое значение пускового тока. Пользуясь электромеханическими характеристиками, по значению Fn max находят наибольшее допустимое значение пускового тока по сцеплению Iсц тax. За максимальное значение пускового тока принимают наименьшее по значению одно из следующих ограничений по току: (16) Как правило, для существующего подвижного состава лимитирующим является ограничение по сцеплению. На современном полностью обмоторенном подвижном составе, работающем по системе многих единиц, возможно ограничение пускового тока по коммутации. Примером этого являются вагоны метрополитена. После установления ограничений максимального пускового тока определяют расчетный пусковой ток. Для реостатного пуска (17) Где kз > 1 - коэффициент запаса, зависящий от системы управления (ручной или автоматической), принятой на данном типе подвижного состава. При эксплуатации подвижного состава колебания пускового тока могут оказаться больше расчетных. Это вызывается колебаниями напряжения в сети, различием в характеристиках тяговых двигателей и недостаточной квалификацией водителя (при неавтоматическом пуске). Переводя рукоятку контроллера с одной позиции на другую, водитель выключает ступени пускового реостата. Слишком быстрый перевод контроллера и вызывает резкое повышение тока. Для трамвайных вагонов и троллейбусов с автоматизированной системой управления и при многоступенчатом пуске kз = 1, при малом числе ступеней и неавтоматическом пуске kз = 1, 15 - 1, 20. Диаграмма ступенчатого пуска. Рассмотрим процесс ступенчатого пуска с заданными пределами токов от Iп min до Iп max для случая пуска одного двигателя.Пусковой реостат состоит из трех секций R1 - R3 для четырех пусковых позиций (рис. 3, а). На рис. 3, 6 в левом координатном углу построим зависимости Rn + r =f(v) для трех неизменных значений пускового тока Iп min, Iп ср и Iп max. Построение ведется так же, как было проведено выше. Прямая a1b1 соответствует максимальному пусковому току Iп max, прямая a2b2 среднему значению пускового тока Iп ср и прямая a3b3 минимальному значению пускового тока Iп min. Рассмотрим процесс постепенного разгона двигателя. Примем, что ток в момент трогания равен Iп max, хотя в действительности пусковой ток желательно увеличивать постепенно, вводя несколько дополнительных ступеней пускового реостата. Если в момент пуска ток равен Iп max, то началом пусковой диаграммы будет точка а1 при скорости v = 0 на прямой a1b1. Сопротивление реостата в этот момент будет равно Rn1 и изобразится отрезком О/а1. Этому сопротивлению будет соответствовать скоростная характеристика v(I) при Rn1.
Рис. 3. Принципиальная схема (а) и диаграмма (б) ступенчатого реостатного пуска одного двигателя
После включения тока скорость подвижного состава начнет увеличиваться. Так как сопротивление пускового реостата Rn1 остается на данной ступени постоянным, то процесс пуска в левой части диаграммы изобразится отрезком а1с, параллельным оси ординат. По мере увеличения скорости растет э. д. с. двигателя, что приведет к уменьшению тока до Iп min, чему соответствует точка с на диаграмме Rn + r =f(v). Чтобы предотвратить дальнейшее уменьшение тока, необходимо вывести часть сопротивления пускового реостата в точке с. Выключение ступени пускового реостата изобразится отрезком cd, параллельным оси абсцисс. При этом скорость не успевает заметно измениться и ее можно принять постоянной v = const, а ток увеличивается до своего максимального значения Iпmax (точка d). Отрезок cd представляет соответствующую ступень пускового реостата, которую необходимо вывести, т. е. разность между сопротивлением первой ступени Rn1 и второй Rn2. Далее двигатель продолжает разгоняться при включенном в его цепь сопротивлении пускового реостата Rn2. Процесс пуска на этой ступени изображается прямой dс. По мере возрастания скорости от точки d до точки е пусковой ток уменьшается от Iпmax до Iп min, и в точке с необходимо вывести очередную ступень сопротивления пускового реостата. В таком порядке производится постепенное ступенчатое выключение ступеней пускового реостата по ломаной линии a1cdefglkb1, вписанной между прямыми a1b1 и a3b3. Причем на каждой ступени пускового реостата ток изменяется от Iпmax до Iп min. В точке b1 все сопротивление пускового реостата выведено Rn = 0, и двигатель выходит на автоматическую характеристику v(I). При движении по автоматической характеристике скорость двигателя возрастает, а ток уменьшается до достижения поездом установившейся скорости. После того как были определены ступени пускового реостата из диаграммы Rn + r =f(v), необходимо в правом координатном углу построить характеристики v(I) для всех ступеней пускового реостата Rп1, Rп2, Rп3 и Rп4. Нанести на эти характеристики ограничения по Iпmax и Iп min. Моменты перехода от одной скоростной характеристики на другую устанавливаются путем переноса точек d, f, l, b1 на кривые v(I) при соответствующих сопротивлениях. Точке с на диаграмме Rn + r =f(v) будет соответствовать точка с' при Iп min на кривой v(I), точке d будет соответствовать точка d' и т. д. Весь процесс изменения скорости во время пуска изображен на диаграмме v(I) на рис. 3, 6. На рис. 4 представлены диаграммы Rn + r =f(v) и v(I) для последовательно-параллельного пуска двух двигателей с применением ослабления возбуждения. В момент начала пуска на последовательном соединении должно быть включено полное сопротивление пускового реостата Rn. При езде на каждой пусковой позиции скорость подвижного состава увеличивается, ток уменьшается, а сопротивление остается постоянным. При переходе с одной позиции на другую выключается часть сопротивления. Ток мгновенно увеличивается от Iпmin.до Iпmax, а скорость подвижного состава практически остается постоянной. Как следует из рис. 4, двигатели разгоняются сначала до скорости, допускающей работу по безреостатной характеристике при последовательном соединении (кривая v1). Когда при разгоне по этой характеристике ток упадет до Iпmin (точка а), можно либо продолжать работу по кривой v1, но уже с токами, меньшими Iпmin, либо перейти на кривую v1/ при ослабленном возбуждении и последовательном соединении двигателей. Этому соответствует сопротивление двигателя при ослабленном возбуждении r'. Рис. 4. Диаграмма ступенчатого реостатного пуска двух двигателей при последовательно-параллельной перегруппировке с применением ослабления возбуждения
Для дальнейшего разгона поезда двигатели переключаются в точке b на параллельное соединение. Во избежание толчков тока снова вводится реостат. Чтобы ток в момент перехода на параллельное соединение был равен Iпmax, необходимо ввести сопротивление, по значению пропорциональное отрезку b'с'. К концу пуска (точка d) подвижной состав достигает скорости, допускающей переход на характеристику v при полном напряжении, нормальном возбуждении и выведенных пусковых реостатах. Энергетика пуска. Рассмотрим процесс пуска для одного двигателя при постоянном пусковом токе и следующих допущениях: - магнитные и механические потери в двигателе малы и ими можно пренебречь; - сопротивление движению при пуске постоянно. В этом случае пусковая сила тяги Fn, поток СФп и ускорение ап будут постоянными. Так как an = const, скорость будет пропорциональна времени v = aпtп, (18) отсюда общее время пуска .(19) Э. д. с. Е = СФпv с учетом выражения (18) запишется Е = СФпaп tп (20) и изобразится в функции времени t прямой линией 1 (рис. 5).
Напряжение на двигателе больше э. д. с. на величину падения напряжения Uд = E + Iпr (21) и изобразится прямой 2, но сдвинутой от начала координат на величину 1пr. Двигатель в точке а, соответствующей концу пуска, работает с полностью выведенными реостатами, и приложенное к нему напряжение равно напряжению сети. Разность ординат Uс и напряжения на двигателе Uд представляет собой потери в пусковом реостате Iп Rn. В первый момент пуска, когда v = 0, падение напряжения в пусковых реостатах почти полностью равно напряжению сети, а в конце пуска равно нулю.
Рис. 5. Диаграмма распределения напряжения в цепи ЭПС в процессе пуска
Если все ординаты диаграммы напряжений умножить на пусковой ток Iп получим диаграмму распределения мощностей при пуске (рис. 6). Прямая 1 изображает электромагнитную мощность двигателя ЕIп = СФпvIп, которая при принятых выше допущениях равна полезной мощности двигателя в период пуска. Прямая 2 соответствует подведенной к двигателю мощности СФпvIп +12пr, а разность ординат подведенной и полезной мощностей - потерям мощности в двигателе и передаче. Ординаты линии UсIп соответствуют мощности, потребляемой из сети, следовательно, разность ординат UсIп и линии 2 равна потерям мощности в пусковых реостатах. Энергия - это интеграл мощности по времени, определяется по диаграмме рис. 6 площадями, ограниченными линиями мощностей и осями координат: полезная работа двигателя за время пуска – площадью S3; энергия, подведеннаяк двигателю - площадью S2 + S3, потери энергии в двигателе – площадью S2, энергия, потребляемая из сети, площадью S1 + S2 + S3. Отсюда следует, что потери в пусковых реостатах равны энергии, переработанной тяговыми электродвигателями. Чтобы уменьшить эти потери, на практике применяют перегруппировку двигателей, соединяя их вначале последовательно, а затем - параллельно. Диаграмма распределения мощностей при таком пуске представлена на рис. 7. Рис. 6. Диаграмма распределения мощности Рис. 7. Диаграмма распределения мощности одного двигателя при пуске мощности при последовательно-параллельной перегруппировке двигателей в процессе пуска Здесь полезные мощности изображаются прямой линией 0d, проходящей через начало координат, а мощность, потребляемая из сети, линией 0abcd. При пуске с двумя группировками двигателей подведенная мощность вначале равна UсIп, а затем удваивается. Потери в пусковых реостатах представляют собой заштрихованные площади. Эти потери уменьшились в 2 раза по сравнению с потерями, представленными на рис. 6. Для простоты здесь не читывались не только магнитные и механические потери, но и электрические. Отношение энергии потерь к полезно затраченной энергии на пуск подвижного состава называют коэффициентом пуска kп. Так, в случае, приведенном на рис. 7, коэффициент пуска будет равен отношению площадей суммы треугольников 0аЬ и bсd к площади треугольника 0de или kп = (SA0ab + SΔ bcd)/SΔ 0de = 0, 5. Регулирование скорости Способы регулирования скорости. В условиях эксплуатации у водителя возникает необходимость в регулировании скорости подвижного состава в широких пределах: (22) Из выражения (22) следует, что скорость двигателя можно регулировать тремя способами: 1) изменением напряжения на зажимах двигателя Uд; 2) включением последовательно с двигателями регулируемого резистора сопротивлением R; 3) изменением магнитного потока СФ. Изменение напряжения на зажимах тягового двигателя при заданном напряжении контактной сети можно осуществить различными путями. На городском электрическом транспорте нашли применение переключения тяговых двигателей с последовательного на параллельное соединение; использование импульсного регулирования. Последовательно-параллельное переключение тяговых двигателей - достаточно экономичный способ и не требует сложного дополнительного оборудования. На рис. 8 показаны схемы переключения четырех тяговых двигателей. Вначале двигатели соединяют последовательно (рис. 8, а), при этом к каждому двигателю прикладывается напряжение Uc/4. При последовательно-параллельном соединении двигателей (рис.8, б) напряжение, приложенное к двигателю, увеличивается и становится равным Uc/2
Рис. 8. Схемы переключения четырех тяговых двигателей
Недостатком такого способа является отсутствие плавного регулирования скорости, наличие значительного числа коммутационной аппаратуры, при последовательном соединении двигателей имеем мягкие тяговые характеристики, что способствует боксованию. В настоящее время широкое применение находят способы регулирования напряжения с помощью статических полупроводниковых преобразователей на подвижном составе. Наиболее целесообразным является использование тиристорных импульсных регуляторов. В этом случае напряжение контактной сети прикладывается к импульсному регулятору ИР (рис. 9), на выходе которого получаем регулируемое в широких пределах напряжение, которое подводится к тяговым двигателям.
Рис. 9. Схема ЭПС с импульсным регулятором
Популярное:
|
Последнее изменение этой страницы: 2017-03-11; Просмотров: 827; Нарушение авторского права страницы