Тема лекції: реостатно-контакторні системи управління ЕРС постійного струму

Тема лекції: РЕОСТАТНО-КОНТАКТОРНІ СИСТЕМИ УПРАВЛІННЯ ЕРС ПОСТІЙНОГО СТРУМУ

1. Вибір структури силового кола та пускового режиму

1.1 Вихідні положення

Реостатно - контакторні системи управління знайшли широке засто-сування на електричному рухомому складі постійного струму. Дані системи достатньо надійні.

Принцип побудови силового кола визначається наступним:

- номінальною напругою (U_км) на струмоприймачі;

- номінальною напругою (U_двH) тягового електричного двигуна (ТЕД);

- кількістю ТЕД (N);

- типом електричного рухомого складу (ЕРС) (електровоз, моторний вагон);

- призначенням ЕРС (вантажні, пасажирські перевезення);

- системою електричного гальмування.

Величини U_кмн, U_qвH та N визначають:

- число послідовно з'єднаних ТЕД при основному групуванні

(1.1)

- число паралельних ланок послідовно з'єднаних ТЕД

(1.2)

При виборі структури силового кола також враховують:

- наявність проміжних ступенів регулювання швидкості, на яких допускається тривала робота в найбільш важких експлуатаційних режимах, в тому числі, на низьких швидкостях при русі по стрілочним переводам, ремонті колії та на маневрах;

- спосіб перемикання групувань ТЕД та обумовлені ним вимоги;

- можливість електричного гальмування в заданому діапазоні швидкостей;

- застосування електричних засобів підвищення зчеплення;

- можливість роботи електричного рухомого складу при відключенні несправного ТЕД;

- найменше число комутаційних апаратів, простоту та надійність електричного обладнання;

Проміжні ступені регулювання за рахунок:

- зміни групування ТЕД;

- регулювання збудження ТЕД.

1.2 Вибір пускового режиму

При пуску, як правило, реалізується найбільша можлива сила тяги. Пусковий режим ТЕД характеризують наступні показники:

- найбільша сила тяги ТЕД при пуску F_тax;

- допустимі коливання сили тяги в процесі пуску, які оцінюються коефіцієнтом нерівномірності пуску по силі тяги k_HF;

- закон регулювання сили тяги в період пуску.

Найбільша сила тяги пуску F_тax обмежується умовами зчеплення колеса з рейкою або можливістю перевантаження ТЕД.

Так як розрахунковий коефіцієнт зчеплення залежить від швидкості, то значення F_тax зручно визначати графічно як ординату точки перетину тягової характеристики F(V) та кривої обмеження по зчепленню F_q2(V) (див.рис.1.1). Отриману величину F_тax перевіряють по можливості перевантаження ТЕД.

Рис 1.1 Визначення F_max по вимогам забезпечення умов зчеплення

Найбільше значення струму при пуску не повинно перевищувати:

(1.3)

де k_ПЕ - коефіцієнт експлуатаційного перевантаження.

Значення k_ПЕ для різного рухомого складу пропонуються наступні:

- для електровозів постійного струму – 1,2 - 1,4;

- для електропоїздів з електричним гальмуванням - 1,5 - 1,6;

- для електропоїздів без електричного гальмування - 1,6 - 1,7;

Із двох значень F_max визначених по вимогам забезпечення зчеплення та перевантаження при пуску, вибирають менше, яке і використовується в подальших розрахунках.

Для найбільш повного використання зчіпної ваги та потужності ЕРС доцільно, щоб значення F_max по умовам зчеплення та можливості перевантаження були як найближчі.

Для реостатно-контакторного пуску характерна наявність нерівномірності тягового зусилля і відповідно струму якоря ТЕД.

Коефіцієнт нерівномірності і пуску по силі тяги визначається як

(1.4)

де F_min, F_сер.п - найменше та середнє значення сили тяги ТЕД при пуску;

(1.5)

В тих випадках, коли в процесі пуску збудження ТЕД не регулюється, сила тяги F однозначно визначається значенням струму І ТЕД. При цьому замість k_нF зручно користуватись коефіцієнтом нерівномірності пуску по струму:

(1.6)

де I_max,I_min та І_сер.п- відповідно найбільше, найменше та середнє значення струму при пуску:

(1.7)

Збільшення коефіцієнтів нерівномірності пуску дозволяє зменшити число реостатних контакторів,але при цьому знижується плавність пуску і підвищується ймовірність порушення зчеплення. Рекомендоване значення k_нF та k_нІ наведені в таблиці 1.1

Таблиця 1.1 Рекомендовані значення коефіцієнтів нерівномірності k_нF та k_нІ

Тип електричного рухомого складу	kнF	kнІ
Електровози	0,09 ÷ 0,10	0,07 ÷ 0,08
Електропоїзди, при пускових прискореннях, м/с^2: - 0,4 ÷ 0,5 - 0,6 ÷ 0,7 - 1,0 ÷ 1,2	0,18 ÷ 0,25 0,10 ÷ 0,12 0,05 ÷ 0,07	0,15 ÷ 0,20 0,08 ÷ 0,10 0,04 ÷ 0,06

Найбільш простим законом регулювання є підтримання постійної сили тяги в період пуску, що забезпечить сталість пускового прискорення. Для пом'якшення удару в момент рушання з місця повинно бути передбачено плавне наростання сили тяги.

2.Розрахунок ступенів пускових резисторів

2.1 Класифікація ступенів

Ступені пускових резисторів за функціональним призначенням розподіляють на:

- розгінні;

- маневрові;

- додаткові.

Розгінними ступенями називають такі, на яких може бути реалізоване розрахункове значення пускового струму. Розгінні ступені використовують для розгону ЕРС до швидкості, що відповідає повному виведенню пускових резисторів із кола ТЕД.

Маневровими називають ступені пускових резисторів, на яких струм ТЕД менший мінімального пускового. Маневрові ступені застосовуються для плавного рушання поїзда з місця та при маневровій роботі.

Додатковими ступенями називають ступені пускових резисторів, які призначені для плавного переходу з одного групування ТЕД на інше при струмі значно меншому мінімального пускового.

Кожна з перерахованих груп пускових резисторів (розгінні, маневрові, додаткові) має свої особливості розрахунку.

2.2 Розрахунок розгінних ступенів пускових резисторів

Графічний спосіб.

Суть графічного способу полягає в побудові залежності опору R пуско-вого резистору, віднесеного до одного ТЕД, від швидкості руху поїзда V.

Для розрахунку графічним способом ступенів пускових резисторів слід знати:

- число n послідовно з'єднаних ТЕД для даного групування;

- напругу контактної мережі;

- залежність V(I) для ТЕД.

На рис. 2.1 показано приклад графічного розрахунку розгінних ступенів пускових резисторів для електровозу з двома групуваннями ТЕД.

Етапи побудови графічним способом:

1. В правому квадранті графіку будуються вихідні характеристики
V1(I) та V2(I) що відповідають напрузі на двигунах U_qв1 та U_qв2.

2.В лівому квадранті будується залежність швидкості V від R опору пускових резисторів по формулі

V=[U_дв - I·(R + R_дв)]/(C_e·Ф),

де R_дв – опір обмотки двигуна.

Рис. 2.1 Приклад графічного розрахунку розгінних ступенів пускових резисторів для ЕРС з двома групуваннями ТЕД

При I=соnst та Ф=соnst, залежність V(R) лінійна. Прямі АВ, CD, EF, GH для струму I_max та I_min будують по точкам на осях координат. Абсциси точок В, D, F, H визначаються з виразу:

точка В ;

точка D ;

точка F ;

точка H .

Ординати точок А, C, E та G визначаються по характеристикам V1(I) та V2(I) для струму I_max та I_min. Ступені пускового резистору при першому групуванні ТЕД визначаються ломаною лінією G – 1 – 2 – 3 – 4 - пені пускового резистору при першому групуванні ТЕД визначаються ломаною лінією 5 з вертикальних та горизонтальних відрізків, заключних між прямими EF та GH. Абсциси точок 5, 3, 1 відповідають опору пускового резистору на 1, 2 та 3 –й розгінній позиції.

Після виведення всіх пускових резисторів ТЕД працюють по характеристиці V1(I).

Перехід на наступну схему групування ТЕД відбувається при I_min (точка E', див. рис.2.1). Струм після переходу не повинен перевищувати I_max.

Ступені пускового резистору, необхідні для розгону, визначаються побудовою ломаної лінії С – 7 – 8 – 9 – 10 – 11 – 12. Побудову ломаної лінії доцільно починати з верхніх точок А, С.

По графіку рис. 2.1 визначають опір пускового резистора, віднесеного до одного ТЕД. Опір пускового резистора для живлення декількох ТЕД визначається як

Аналітичний спосіб.

Використання обчислювальної техніки робить аналітичний спосіб зручним для практичного використання.

Розрахунок починають з визначення останнього ступеня пускового резистора.

Запишемо систему рівнянь

(2.1)

де n - число послідовно з'єднаних ТЕД при основному групуванні;

а - число паралельних ланок послідовно з'єднаних ТЕД;

I_max, I_min – максимальний та мінімальний струм для одного ТЕД.

З (2.1) отримаємо

,

звідки можна отримати

, (2.2)

де - відношення магнітних потоків ТЕД при І_min та І_maх;

- для сучасного ЕРС λ =1,08 ÷ 1,16.

Аналогічно можна показати,що

(2.2)

(2.3)

.

.

.

Звідки можна показати, що між ΔR_і і ΔR₁ існує залежність

(2.4)

2.3 Розрахунок маневрових ступенів

Першу маневрову ступінь вибирають із умови, щоб пускове прискорення при маневрах а_м не перевищувало 0,3 - 0,4м/с².

Сили тяги ТЕД на першій маневровій позиції, необхідна для зрушення ЕРС (електровозу або тари електропоїзду) з місця з заданим прискоренням а_м визначається як

(2.5)

де m_е - маса ЕРС, т;

- питомий основний опір руху ЕРС (Н/кН).

По характеристиці F(І) визначають струм, що відповідають F_M1

Як правило,для електровозів І_м1~ 0,3∙ Ін, а для електропоїздів-І_м1~0,8∙Ін.

Дискретність зміни сили тяги між маневровими позиціями приблизно рівна (F_max-F_min).

В деяких рішеннях передбачається на маневрових позиціях регулювання збудженням ТЕД.

2.4 Вибір опору перехідних резисторів.

Перехідні резистори призначенідля обмеження струму ТЕД при переході з одного групування ТЕД на інше по способу короткого замикання або шунтування.

З. Компоновка та тепловий розрахунок пускових резисторів

3.1 Вимоги до компоновки пускових резисторів

Компоновка повинна задовільняти:

- найменше число можливих контактів, контакторів (або інших перемикаючих апаратів);

- простоту управління реостатними контакторами;

- рівномірне використання по нагріву всіх секцій пускового резистора.

Можливі наступні принципи компоновки пускових резисторів:

1) всі секції пускового резистора з'єднані послідовно (див. рис.3.1)

Рис. 3.1 Схема секції пускового резистора з послідовним їх з'єднанням

2) всі секції пускового резистора з'єднані паралельно (див. рис.3.2). Дана схема з’єднання широко застосовується при регулюванні ослабленні поля збудження ТЕД.

Рис. 3.2 Схема секції пускового резистора з паралельним їх з'єднанням

3) Послідовне з'єднання секції пускового резистора на перших позиціях і паралельне на наступних позиціях (див. рис.3.3). При цьому кількість реостатних контакторів приблизно в 2 рази менше числа реостатах ступенів. В табл. 3.1 показано схеми з’єднання резисторів секції в залежності від положення контакторів.

Рис. 3.3 Схема секції пускового резистора з паралельним та послідовним їх з'єднанням

Таблиця 3.1 схеми з’єднання резисторів секції в залежності від положення контакторів (х – контакт замкнутий)

№ поз.	Положення контактів	З'єднання секцій резистора
							Rа+Rb+Rс+Rd+Rе
	х	х					Rb+Rс+Rd+Rе
	х	х	х				Rс+Rd+Rе
	х	х	х	х			Rd+Rе
	х	х	х	х			Rе
		х			х	х	Rа‌‌ ׀׀ Rb+Rс+Rd ׀׀ Rе
		х	х			х	Rа ׀׀ Rb ׀׀ Rе
		х	х	х	х	х	Rа ׀׀ Rb ׀׀ Rс ׀׀ Rd ׀׀ Rе
	х	х	х	х	х	х	0

3.2 Розрахункові режими пускових резисторів для електровозів
Для пускових резисторів електровозів як правило приймають
наступні розрахункові режими:

- пуск від першої до останньої позиції при розрахунковому значенні пускового струму і пусковому прискоренні 0,01÷0,015м/с² для вантажних електровозів і 0,02÷0,03м/с² для пасажирських;

- тривала робота на любій ступені реостата при струмі ТЕД 40÷60%номінального;

- робота на маневрових позиціях протягом 3÷5 хв. Значення струму для кожної позиції визначається для нульової швидкості руху;

- рух по розрахунковому підйому на кожній з двох - трьох позиції, що знаходиться перед безреостатною при тривалій роботі ТЕД з розрахунковим пусковим струмом. Такий режим можливий в експлуатації при поганих умовах зчеплення для припинення буксовання колісних пар і запобігання зупинки поїзда на розрахунковому підйомі.

Якщо на електровозів передбачено реостатне гальмування, то додатково доповнюються наступні розрахункові режими:

- підгальмовування потягу з заданою масою на розрахунковому спуску. Час підгальмовування розраховують по заданій довжині спуску та швидкості руху. Дану швидкість вибирають по умові забезпечення екстреної зупинки на розрахунковому спуску за допомогою гальмівних колодок;

- гальмування до зупинки в заданих умовах. Час гальмування визначають по заданій масі поїзда, профілю шляху та початкової швидкості гальмування.

Слід зазначити, що, як правило, проміжки часу між окремими пусками та гальмуваннями електровозів достатньо великі для повного охолодження резисторів. Тому режими їх навантаження можна розглядати як режими з короткочасними навантаженнями.

При пуску та гальмуванні перехід з однієї позицію на іншу супроводжується зміною навантаження секцій резистора. Для спрощення теплового розрахунку визначається ефективний струм для кожної секції резистора за час пуску та гальмування

, (3.1)

де I_j – струм, який протікає через дану секцію резистора на j –й позиції;

Δt_j – час роботи на j –й позиції;

t_п – час пуску електровозу;

ε – число позицій.

3.3 Розрахункові режими пускових резисторів для електропоїздів
Для електропоїздів приміського сполучення та метрополітену проміжки часу між пусками та гальмуванням невеликі. Тому в якості розрахункового застосовується повторно-короткочасний режим. На рис.3.4, в якості ілюстрації сказаного, показано фрагмент діаграми включення режиму тяги при русі електропоїзда на ділянці ст. Скнилів – ст.Стрий (Львівська залізниця).

Рис. 3.4 – Фрагмент діаграми включення режиму тяги при русі електропоїзда ЕПЛ2Т – 006 на ділянці ст. Скнилів – ст.Стрий (Львівська залізниця)

Тому, оцінку режимів роботи пускових резисторів для електропоїздів
доцільно проводити шляхом моделювання режимів з визначенням ефективних струмів для кожної його секції. Величина ефективного струму визначається за час циклу що включає: пуск, їзду на ходовій позиції, вибіг, гальмування, зупинку.

3.4 Вибір резисторів по нагріву

В силових колах ЕРС застосовують виключно стрічкові фехральові резистори. Стрічку резисторів виготовляють з фехралю марки ОХ23Ю5А з питомим опором ρ = 1,3÷1,4 Ом·мм²/м. Вона витримує нагрівання до температури 1100°С. Опір фехральових резисторів практично при цьому не залежить від температури. При температурі 800°С опір зростає всього 6,7%.

На ЕРС поширене застосування резисторів типу КФ. Спрощено конструкцію КФ показано на рис. 3.5. Фехралева стрічка 1 намотана на ребро у вигляді спіралі на фарфоровий або стеатитовий гребінчастий ізолятор 2. Існує типовий ряд елементів КФ, який характеризується довжиною одного елементу (290, 520 та 620 мм) та відповідно потужністю (920, 1820 та 2150 Вт). Резистори типу КФ призначені для використання при природному охолодженні або швидкості повітря охолодження до 3 м/с. Застосування більш інтенсивного охолодження КФ недоцільно, так як в місця контакту стрічки та ізолятора погано охолоджуються.

Рис. 3.5 Конструкція елементу резистора типу КФ

Найбільш просто вибирають резистори, що працюють в тривалому режимі та повторно - короткочасному необмежений час. Вибирають їх таким чином, щоб ефективний струм таких резисторів не перевищував тривалий струм вибраного елементу по найбільшому допустимому нагріву, тобто

І_еф < І_∞ (3.2)

Резистори, які працюють в короткочасному режимі, або в повторно – короткочасному, вибирають по кривим нагріву (рис. 3.6) або по рівнянню нагрівання.

Рис.3.6 Криві нагрівання резисторів типу КФ

Якщо криві нагрівання вибраного типу резисторів відсутні, то можна застосувати рівняння нагріву резистора як однорідного твердого тіла.

(3.3)

де τ – перегрів температури резистора над температурою оточуючого середовища;

Р = І²·R_ел - потужність втрат в резисторі з опором R_ел при величині струму І;

τ₀ - початкове перевищення температури резисторів;

Т=С· m_{п ел}/В - теплова стала часу елемента резистора з питомою теплоємністю провідникового матеріалу С [Дж/(кг·⁰С)] і масі провідникового матеріалу m_{п ел} [кг];

В - коефіцієнт тепловіддачі елемента:

(3.4)

де - найбільш допустиме перевищення температури елемента ре­зистора;

І_∞ - тривалий струм елемента, що відповідає перегріву ;

Широко поширені також конструкції резисторів ЛФ де передбачено інтенсивне примусове охолодження. Застосування інтенсивного охолодження дозволяє суттєво поліпшити масо – габаритні показники. Форма фехралевої стрічки 1 даних елементів (див. рис.3.7) зигзагоподібна. Стрічка 1 закріплена утримувачами 2 на ізоляційному каркасі 3. Повітря охолодження продувається всередині каркасу між пластинами стрічки. Стала часу нагріву даної стрічки ≈ 1 хв. Тому для елементів даних резисторів всі процеси нагріву вважаються тривалими.

Рис.3.7 Фрагмент конструкції елемента резисторів типу ЛФ

4. Розрахунок кіл ослаблення струму збудження тягових електричних двигунів

Коефіцієнт регулювання збудження визначається як відношення струму збудження І_оз до струму якоря І ТЕД:

β = І_оз/І.

4.1 Розрахунок ступенів ослаблення струму збудження.

Розрахунок ступенів ослаблення струму збудження виконують з врахуванням наступного:

1) Крайнє значення ослаблення струму збудження визначається комутаційними властивостями ТЕД.

2) Проміжні значення β вибирають таким чином, щоб при переході з ступені на ступінь, пусковий струм збільшувався від І_min до І_max. Значення коефіцієнтів нерівномірності пуску по струму К_нІ для ступенів регулювання збудження приймається більшим, ніж для ступенів реостатного пуску:

- для електровозів К_нІ= 0,08 ÷ 0,10;

- для електропоїздів К_нІ= 0,12 ÷ 0,15.

Так як швидкість ЕРС в момент включення наступної ступені ослаблення поля (струму збудження) стала, то можна записати

(4.1)

де Ф_{min j}, Ф_{max j+1} - магнітні потоки, які створюються відповідно струмами збудження І_{оз min j}=I_min·β_j та І_{оз max j+1}=I_max·β_j+1;

R_я – опір якірної ланки ТЕД;

R_оз – опір обмотки збудження ТЕД;

R_д – додатковий опір в колі ТЕД;

β_j, β_j+1 - коефіцієнт регулювання збудження відповідно на j -й та (j +1)-й ступінях регулювання;

U_дв – напруга живлення ТЕД.

З залежності (1) можна отримати

(4.2)

Порядок розрахунку ступенів ослаблення збудження можна визначити наступний:

1) На 1 – му етапі приймається β_j= β_max;

2) Задаючись І_min визначають І_{оз min j}=I_min·β_j;

3) За даними І_{оз min j} визначають С_е·Ф_{min j} по кривій намагнічування;

4) За (4.2) знаходять С_е·Ф_{max j+1};

5) По кривій намагнічування для С_е·Ф_{max j+1} знаходять відповідно І_{оз maxj+1};

6) При відомих значеннях I_max та І_{оз max j+1} знаходять β_j+1;

7) Наступні розрахунки проводяться за п.2 ÷ 6 до β_min.

4.2 Компоновка кіл ослаблення струму збудження.

Основні способи компоновки кіл по реалізації ослаблення струму збудження ТЕД показано на рис. 4.1.

Рис.4.1 Типові схеми ослаблення струму збудження ТЕД

М – якір ТЕД;

ОЗ М – обмотка збудження ТЕД;

ІШ – індуктивний шунт;

R, R1 ÷ R4 резистори ослаблення поля;

R_шо –резистор шунтування. Застосовується при пульсуючому струмі живлення.

4.3 Визначення параметрів індуктивного шунта

Індуктивність ІШ повинна бути достатньою, щоб амплітудні значення струму якоря при самих важких перехідних процесах (наприклад, при різких і значних змінах напруги в контактній мережі) не перевищили номінальний струм ТЕД більш ніж в 2 ÷ 2,5 разів. Як правило, індуктивність шунта L_іш визначають в залежності від індуктивності L_оз обмоток збудження ТЕД з відношення

L_іш= (0,6 ÷ 0,75)· L_оз (4.3)

В цій формулі більше значення коефіцієнтів приймають для електропоїздів, а менше – для електровозів.

Як відомо, індуктивність обмотки збудження можна визначити як

, (4.4)

де р - кількість пар головних полюсів ТЕД;

σ - коефіцієнт магнітного розсіювання;

ω_оз – число витків обмотки збудження;

ΔΙ_оз, ΔФ – приріст струму обмотки збудження та відповідного йому магнітного потоку.

Активний опір індуктивного шунта вибирається таким, щоб на останній позиції ослаблення поля послідовно з індуктивним шунтом був включений резистор з опором не меншим 0,1· R_іш. Це необхідно для зменшення впливу на β_min температурних змін опорів R_іш та R_оз.

Щільність струму обмотки індуктивного шунта вибирається в межах 1,7÷2,2 А/мм². Якщо щільність струму перевищуватиме ці значення, то опір обмотки індуктивного шунта буде зростати внаслідок її нагрівання і реалізація β_min буде неможливою.

Дата добавления: 2015-11-04