Главная страница | Контакты | Случайная страница Автомобили Астрономия Биология География Дом и сад Другие языки Другое Информатика История Культура Литература Логика Математика Медицина Металлургия Механика Образование Охрана труда Педагогика Политика Право Психология Религия Риторика Социология Спорт Строительство Технология Туризм Физика Философия Финансы Химия Черчение Экология Экономика Электроника

ЗАМКНУТЫЕ СИСТЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ ЭЛЕКТРОПРИВОДАМИ. РЕГУЛИРУЕМЫЙ ЭП ПЕРЕМЕННОГО ТОКА

Защита от перегрева воды и масла дизеля. Перегрев охлаждающей воды и масла дизеля предупреждают термореле воды и масла ТРВ, ТРМ (см. рис. 138). При достижении предельных температур воды и масла на выходе из дизеля контакты ТРВ и ТРМ (121, 122, 123) разрывают цепь питания катушки реле РУ2. Это приводит к отключению контакторов КВ и ВВ, снятию возбуждения тягового генератора и включению сигнальной лампы «Сброс нагрузки».

Защита обслуживающего персонала от высокого напряжения. При случайном открытии дверей аппаратных (высоковольтных) камер без снятия напряжения тягового генератора размыкаются контакты дверных блокировок БД1—БД4, выключая реле РУ2. Напряжение тягового генератора снимается и включается сигнальная лампа «Сброс нагрузки». Для защиты и сигнализации при пробое изоляции силовой цепи на корпус предусмотрено устройство, в которое входит реле заземления РЗ, СРЗ и разъединитель ВРЗ. Катушка РЗ включена между минусом силовой цепи: провод 499, выключатель ВРЗ, провода 500, 516, резистор СРЗ, провод 517, корпус тепловоза. Реле включается при токе 10 А при нарушении изоляции силовой цепи, круговом огне на коллекторах тяговых электрических машин. После включения реле блокируется механической защелкой во включенном состоянии.

Защита при обрыве цепи возбуждения двигателей. На тепловозах 2ТЭ10В, ТЭ10М в тяговых двигателях (ТЭД) постоянного тока возможны обрывы цепи обмотки возбуждения. Чаще всего это случается в следующих местах: междукатушечные соединения обмоток возбуждения и добавочных полюсов двигателей (полный или частичный их излом); место подключения кабелей цепи возбуждения двигателей к главным контактам реверсивного переключателя (излом кабелей или их наконечников); главные контакты реверсора и поездных контакторов; соединение обмотки якоря с коллекторными пластинами ТЭД.

При работе ТЭД на ослабленном возбуждении и возникновении обрыва ток якоря быстро увеличивается, потому что ток возбуждения и э. д. с. противоположного направления стремятся к нулю. При этом работа генератора с верхней части внешней характеристики тепловоза перемещается в нижнюю ее часть. Реле РП1, РП2, выключаются и размыкают главные контакты ВШ1, ВШ2, не имеющие устройств дугогашения. В этот момент через них могут протекать большие токи, приводящие к возникновению мощной дуги и привариванию контактов ВШ, а также нагреву и перегоранию резисторов шунтировки СШ и возгоранию изоляции проводов высоковольтной камеры. Аналогичные повреждения наблюдаются при круговом огне на коллекторе двигателей.

Для предотвращения возникновения пожара в высоковольтных камерах на тепловозах ТЭ10М с 1983 г. вводится защита, позволяющая обнаружить обрыв цепи возбуждения двигателей. Используется существующая противобоксовочная схема, в которую входит блок диодов сравнения БДС типа БВ-1203. В нем сравнивается падение напряжения на обмотках главных и добавочных полюсов ТЭД. На выход блока подключены катушки реле боксования РБ1, РБ2, РБЗ.

Параллельно этим катушкам подсоединяют реле РОП (реле обрыва цепи возбуждения) типа Р45Г5-11У3. Его параметры должны быть такими, чтобы при нормальной работе или боксовании тепловоза реле не срабатывало, а включалось только при обрыве цепи возбуждения (напряжение катушки 24 В, ток срабатывания 0,71 А, сопротивление катушки 18,3 Ом).

Если, например, такой обрыв произошел у первого двигателя, то исчезает э. д. с. якоря противоположного направления, отрицательный потенциал щетки резко возрастает и через блок БДС прикладывается к катушке реле РОП. Последнее срабатывает и становится на защелку. Размыкающий контакт разрывает цепь питания контакторов КВ, ВВ, тем самым снимая возбуждение с генератора. Стрелка указателя повреждения должна установиться на делении Р3, РОП. Чтобы продолжать движение, нужно в правой высоковольтной камере снять реле РОП с защелки и, последовательно отключая тумблеры ОМ1—ОМ6, определить двигатель с поврежденной цепью возбуждения, отключить его и перейти на аварийный режим работы с пятью двигателями.

Комплексное противобоксовочное устройство. Для ограничения боксования колесных пар и сохранения устойчивой тяги тепловоза при трогании и движении в электрической схеме предусмотрено комплексное противобоксовочное устройство, которое состоит из устройства обнаружения боксования колесных пар, устройства прекращения боксования колесных пар.

Устройство обнаружения боксования колесных пар. В электрической схеме тепловоза предусмотрена система обнаружения боксования до пяти боксующих колесных пар, состоящая из блока реле боксования РБ1-3, блока сравнения БДС, трех резисторов СРБ1-3. Блок сравнения (БДС) подключен к тяговым двигателям в точках между якорем и добавочным полюсом через замыкающие контакты П1-П6. На выход блока БДС подключены реле блока боксования РБ1-РБ2 через резисторы СРБ1—СРБ2. Реле блока боксования РБ3 подключается только на ослабленном возбуждении через замыкающий контакт реле РУ16 и резистор СРБ3.

При боксовании одной или нескольких колесных пар в их тяговых двигателях электрические потенциалы точек подключения блока БДС ниже небоксующих. При достижении разности потенциалов около 9 В включается реле РБ1, при 12,5 В включается реле РБ2. На ослабленном возбуждении при 2,7 В включается реле РБ3. Электрические сигналы с реле боксования передаются в систему снижения мощности тягового генератора.

Проследим (см. рис. 138) подключение и прохождение тока включения реле боксования РБ3 при боксующей первой колесной паре. Условно принимаем, что наибольший потенциал в это время имеет шестой тяговый двигатель, тогда цепь включения: РБ3, шестой тяговый двигатель, провод 1127, замыкающий контакт П6, провод 1319, блок БДС, провод 1320, резистор СРБ3, провод 1120, замыкающий контакт РУ16, провод 1121, катушка РБ3, провод 1954, провод 1322, провод 1323, блок БДС, провод 1314, замыкающий контакт П1, провод 1101, первый тяговый двигатель. Аналогично подключены реле РБ1—РБ2.

Устройство прекращения боксования колесных пар. Устройство состоит из:

1) системы формирования наклонных характеристик тягового генератора;

2) системы формирования жестких динамических характеристик тягового генератора;

3) системы снижения мощности тягового генератора;

4) системы уравнительных соединений тяговых двигателей;

5) системы ограничения частоты вращения тяговых двигателей при одновременном боксовании шести колесных пар.

Система формирования наклонных характеристик тягового генератора. Для ограничения боксования колесных пар и повышения тяги при трогании тепловоза электрическая схема позволяет получать наклонные характеристики тягового генератора с 1-й по 7-ю позицию контроллера машиниста включительно.

Для этого введено реле РУ15, которое не включается до 8-й позиции контроллера машиниста. Его размыкающий контакт между проводами 1098, 1047 шунтирует вентиль В7 блока выпрямителей БВ селективного узла. При этом обмотка управления (ОУ) амплистата шунтируется резистором СБТН по цепи: зажим 5/8, провод 1047, размыкающий контакт РУ15, провод 1098, зажим 5/7, провод 1035. резистор СБТН, провод 1100. Это приводит к уменьшению тока в обмотке ОУ. Вследствие этого исключается вертикальная отсечка по току на внешней характеристике тягового генератора. Характеристика получается пологой с низким напряжением в зоне больших токов (4000—5000 А). Создается значительный момент на валу тяговых двигателей при небольшой частоте вращения, что резко снижает возможность развития боксования, облегчает трогание и разгон тепловоза без подачи песка.

Система формирования жестких динамических характеристик тягового генератора. Для ограничения боксования колесных пар в первоначальный период (период, предшествующий включению реле боксования) схемой предусмотрена система формирования жестких динамических характеристик тягового генератора, которая состоит из четырех трансформаторов тока ТПТ1—ТПТ4; блока выпрямителей БВ. Первичными обмотками ТПТ являются провода тяговых двигателей: ТПТ1 — первого; ТПТ2 — второго и третьего; ТПТЗ — четвертого и пятого; ТПТ4 — шестого.

Вторичные обмотки ТПТ подключены на последовательно соединенные выпрямительные мосты блока БВ. Через выпрямительные мосты блока проходит наибольший сигнал обратной связи по току так называемого «ведущего» трансформатора тока. Таким образом, в формировании внешней характеристики тягового генератора участвует один из четырех трансформаторов тока, имеющий наибольший выход, который зависит от характеристики ТПТ и силы тока тягового электродвигателя. Это позволяет сохранить неизменное напряжение тягового генератора при начальном боксовании до пяти колесных пар. Сохранение неизменного напряжения при снижении тока тягового генератора за счет тяговых двигателей, работающих в режиме боксования колесных пар, является процессом формирования жестких динамических характеристик тягового генератора.

Неизменное напряжение тягового генератора способствует снижению частоты вращения якорей тяговых двигателей боксующих колесных пар и Рис.2. Жёсткие динамические нераспространению повышения частоты вращения на характеристики небоксующие. На рис. 2 показан графически процесс формирования жестких динамических характеристик тягового генератора при первичном боксовании до пяти колесных пар: 1, 2, 3, 4, 5. Условно принимаем, что «ведущим» трансформатором тока является ТПТ2. Точка А на графике внешней характеристики тягового генератора определяет отсутствие боксования. При боксовании первой колесной пары ток тягового генератора снижается и определяяется точкой 2, однако при этом «ведущим» трансформатором остается ТПТ2, и напряжение между точками А—Б остается неизменным. При переходе в боксование второй или третьей колесной пары роль «ведущего» трансформатора берет на себя (условно) ТПТ3, так как через него проходит ток тяговых двигателей небоксующих колесных пар. При этом ток тягового генератора еще снижается и определяется точкой 3, а напряжение на отрезке Б—В остается практически неизменным. Далее при переходе в боксование четвертой и пятой колесных пар происходит смена «ведущего» трансформатора и им становится ТПТ4. Ток тягового генератора снижается и определяется точкой 4, а напряжение между точками В—Г остается неизменным. Незначительное увеличение напряжения в точках Б, В, Г характеризуется сменой «ведущих» трансформаторов тока, что объясняется их выходными характеристиками. Точками А—Г обозначен графически процесс формирования жестких динамических характеристик тягового генератора.

Проследим прохождение выходного тока «ведущего» трансформатора ТПТ2 (см. рис. 137): зажим 8 (ТР), провод 1078, зажим 2 (ТПТ2), зажим 1 (ТПТ2), провод 1084, зажим 4 (БВ), мост (В3), зажим 12 (БВ), провод 1095, резистор СБТГ, провод 1096, зажим 11 (БВ) мост (В6), мост (В1), зажим 3 (БВ), провод 1079, зажим 7 (ТР). Параллельно резистору СБТТ подключена обмотка амплистата ОУ по цепи: зажим 12 (БВ), вентиль В5, зажим 13 (БВ), провод 1097, зажим 5/8, провод 1099, шунт 115, провод 480, резистор СОУ, провод 478, обмотка (ОУ), провод 1100, резистор СБТН, провод 1137, резистор СБТТ.

Значение тока обмотки ОУ прямопропорционально значению тока, проходящего через резистор СБТТ.

С истема снижения мощности тягового генератора при боксовании колесных пар. Для восстановления нормального режима работы тяговых двигателей боксующих колесных пар в схеме предусмотрена система снижения мощности тягового генератора. Система состоит из промежуточных реле управления РУ5, РУ17, электромагнитных реле времени РВ4, РВ5, электромагнита МР5.

Система снижения мощности тягового генератора при боксовании колесных пар работает на полном возбуждении при отключенном автомате уравнительных соединений АУР и на ослабленном возбуждении как при включенном, так и при отключенном АУР.

Рассмотрим принцип работы данной схемы при полном возбуждении и отключенном автомате АУР (см. рис. 137). При включении реле РБ1 через его замыкающий контакт между проводами 1037, 1048 подается питание на катушку реле РУ17, которое своим размыкающим контактом между проводами 1042, 419 вводит дополнительный резистор ССН в обмотку задания (ОЗ) амплистата. При этом индуктивный датчик ИД. Регулятора частоты вращения дизеля выводится в нулевое положение с помощью электромагнита МР5, который получает питание через замыкающий контакт реле РУ17 между проводами 1331, 442. Мощность тягового генератора снижается на 60 %. Кроме этого, реле РУ17 своим замыкающим контактом между проводами 1051, 1039 включает реле времени РВ4, которое своими размыкающими контактами между проводами 262, 299 и 1330, 737 исключает возможность включения контактов ослабления возбуждения ВШ1, ВШ2 в момент боксования. Этим самым уменьшаются переходные процессы в системе генератор-дизель в период боксования. Если после этого процесс боксования не прекращается, а нарастает, тогда включается реле РБ2 и своим замыкающим контактом между проводами 1040, 1044 включает реле РУ5 и реле РВ5 по цепи: зажим 4/5, провод 1556, зажим 25/10, провод 1562, контакт размыкающий АУР, провод 1563, зажим 25/8, провод 1557, зажим 3/11, провод 1325, катушка РВ5. Реле РВ5 своим замыкающим контактом между проводами 1171, 1174 шунтирует часть резистора обмотки управления амплистата СОУ. При этом мощность тягового генератора снижается еще на 20 %. Кроме этого, реле РУ5 своим замыкающим контактом между проводами 1051, 1049 по цепи: зажим 4/3, провод 172, зажим 13/10, провод 171 подает питание на зуммер СБ, а контактом между проводами 1051—1025 по цепи: зажим 2/10, провод 208 подает питание на сигнальную лампу «Сброс нагрузки». После прекращения боксования процесс восстановления напряжения тягового генератора происходит ступенчато: сначала за счет шунтировки резистора ССН в цепи задающей обмотки (ОЗ) амплистата, затем за счет выхода в рабочее положение индуктивного датчика и через 1,5 с за счет ввода резистора СОУ в цепь обмотки управления амплистата. Этим исключаются резкие переходные процессы в системе генератор — двигатель. При включении автомата АУР описанная система выполняет функции только сигнализирующей, т. е. при срабатывании РБ2 подается питание на зуммер и сигнальную лампу «Сброс нагрузки». Функцию плавного снижения напряжения (мощности) тягового генератора выполняет система уравнительных соединений. Это происходит потому, что замыкающий контакт автомата АУР между проводами 1565 и 1564 шунтирует резистор ССН, а размыкающий контакт между проводами 1562 и 1563 размыкает цепь питания катушки реле РВ5.

На I — II ступенях ослабления при боксовании колесных пар включается более чувствительное реле РБ3, которое своим замыкающим контактом между проводами 1959, 1960 включает реле РУ5. Реле РУ5 своим замыкающим контактом включает реле РУ17, Далее процесс проходит аналогично описанному выше, так как замыкающим контактом РУ16 между проводами 1555, 1554 включается реле РВ5, а размыкающим контактом РУ16 между проводами 1552, 1551 вводится резистор ССН в обмотку ОЗ амплистата.

Система уравнительных соединений тяговых двигателей. Система уравнительных соединений тяговых электродвигателей при наличии системы формирования жестких динамических характеристик тягового генератора способствует эффективному восстановлению нормального режима работы тяговых электродвигателей боксующих колесных пар.

Система уравнительных соединений состоит из витков обратной связи, наматываемых по три группы на каждом трансформаторе тока; трех выпрямительных мостов ПВ1, ПВ2, ПВ3; трехполюсного автоматического выключателя АУР. Тяговые электродвигатели в точках между добавочными полюсами и последовательной обмоткой соединяются между собой попарно: 1-й с 4-м; 2-й с 5-м; 3-й с 6-м через выпрямительные мосты ПВ1, ПВ2, ПВ3, автомат АУР, дополнительные витки ТПТ.

Проследим подключение уравнительного соединения между первым и четвертым тяговыми электродвигателями (см. рис. 137): зажим реверсора ПР с проводами 544, провод 1535, выпрямитель ПВ1, провод 1536, контакт АУР, провод 1537, зажим 31, дополнительные витки ТПТ1 — ТПТ4, зажим 35, провод 1538, ПВ1, провод 1539, зажим (ПР) с проводом 547. При боксовании четвертой колесной пары ток, потребляемый этим двигателем, будет меньше, чем ток, потребляемый первым электродвигателем. Поэтому потенциал точки подключения уравнителя первого электродвигателя будет выше. Это приведет к протеканию уравнительного тока между первым и четвертым тяговыми электродвигателями. Уравнительный ток от первого тягового электродвигателя будет подпитывать последовательную обмотку 4-го тягового электродвигателя по цепи: провод 1539, размыкающий контакт ПР, провод 638, последовательная обмотка, провод 586, размыкающий контакт ПР, провод 607, минусовая шина тягового генератора. При этом возрастает магнитный поток последовательной обмотки четвертого тягового электродвигателя, что снижает частоту вращения якоря тягового двигателя и повышает его электромагнитный момент. Кроме этого, уравнительный ток, проходя через витки обратной связи ТПТ, производит его подмагничивание, что вызывает увеличение выхода «ведущего» трансформатора. Это приводит к плавному снижению напряжения тягового генератора. Все это способствует эффективному восстановлению нормального режима работы тяговых электродвигателей боксующих колесных пар с сохранением тяги тепловоза.

Система ограничения частоты вращения тяговых электродвигателей при боксовании шести колесных пар. Для ограничения разносного боксования одновременно боксующих шести тяговых электродвигателей введено дополнительное реле РП3, регулировочные резисторы: СРПН3, СРПТ3. Катушка реле РП3 включена в схему аналогично реле перехода РП1, РП2. При боксовании шести колесных пар происходит резкое снижение тока и увеличение напряжения тягового генератора. При токе тягового генератора 2550—2600 А на 15-й позиции контроллера машиниста, что соответствует скорости тепловоза 105 км/ч, включается реле РП3. При этом его замыкающий контакт между проводами 1952, 1953 по цепи: зажим 4/14, провод 1943 включает реле РУ19, которое своим размыкающим контактом отключает реле РУ2. При этом происходит сброс нагрузки.

Недостаточное давление масла дизеля. Если в момент пуска или при работе не обеспечивается давление масла в конце верхнего коллектора дизеля 0,05—0,06 МПа, то контакт реле РДМ1 (провода 239, 227) не замыкается или если он был замкнут, размыкает цепь питания реле РУ9 и тягового электромагнита ЭТ, в результате дизель останавливается. При переходе на высшие позиции контроллера и достижении давления масла в верхнем коллекторе дизеля 0,11—0,12 МПа включается реле РДМ2, которое до 11-й позиции контроллера машиниста зашунтировано контактами реле РУ4. Если на позициях контроллера с 12-й по 15-ю не обеспечивается это давление масла, то реле РДМ2 отключает реле РУ2, которое своим контактом размыкает цепь питания катушек контакторов ВВ и КВ. Происходит сброс нагрузки тягового генератора и загорается сигнальная лампа.

Повышение давления в картере дизеля. При повышении давления в картере до 68 Па замыкается контакт дифманометра КДМ и питание с зажима К1 (см. цепь питания РУ9) по проводу 1245, через замыкающий контакт КДМ (К14, К16) подается на сигнальную лампу «Давление в картере», установленную на пульте управления. При повышении давления в картере до 295—340 Па замыкается контакт дифманометра КДМ (К14, К15) и питание подается на катушку реле РУ7.

Реле РУ7:

а) замыкающим контактом (993, 915) становится на самопитание непосредственно от автомата «Работа дизеля»;

б) размыкающими контактами (442, 338) прекращает питание катушки КТН, а следовательно, и электродвигателя топливного насоса ТН, катушки реле РУ9, тягового электромагнита ЭТ объединенного регулятора дизеля, что приводит к снятию возбуждения генератора, прекращению подачи топлива и остановке дизеля. При возникновении аварийной ситуации на стоянке или в поездном режиме применяется «Аварийная кнопка» АК. При нажатии кнопки ее контакт (1261, 1262) шунтирует замыкающий контакт реле РУ7 и включает его, что приводит к снятию нагрузки и остановке дизеля.

Недостаточное давление воздуха в тормозной магистрали. В цепь питания промежуточного реле РУ2 включено реле давление воздуха РДВ провода (160, 128), которое контролирует давление воздуха в тормозной магистрали. При давлении менее 0,35 МПа контакт реле давления размыкает цепь реле РУ2. Его замыкающий контакт отключает контакторы ВВ и КВ, снимая возбуждение генератора в тяговом режиме. Реле давления воздуха замыкает свой контакт в цепи РУ2 при давлении воздуха свыше 0,5 МПА, чем предотвращается трогание тепловоза при недостаточном давлении воздуха в тормозной магистрали после полной ее разрядки. На средней секции кран машиниста № 395 не установлен, поэтому для возможности самостоятельного перемещения секции по деповским путям реле давления воздуха зашунтировано контактом реверсивного механизма контроллера машиниста.

На тепловозе предусмотрен также контроль целостности тормозной магистрали. При открытии стоп-крана или обрыве воздушной магистрали поезда (независимо от его длины) происходит включение датчика ДДР (провода 1157, 1167), который контролирует давление воздуха в канале дополнительной разрядки воздухораспределителя. При снижении давления воздуха в тормозной магистрали на 0,02 МПа происходит служебная дополнительная разрядка. В рабочей камере ДДР создается давление 0,11 МПа, замыкаются его контакты (провода 1157, 1167) и через размыкающий контакт датчика ДТЦ (провода 1167, 1162) подается питание на катушку реле РУ12. Реле своим замыкающим контактом ставит себя на самопитание: провода 1183, 1156, зажим 5/6, провод 1159, диод Д12 (провода 1349, 1160, 1167), контакт датчика ДТЦ, провода 1162, 1175, катушка реле РУ12. Этот же контакт подаст по проводам 1156, 1158 питание на сигнальную лампу ЛРТ «Обрыв тормозной магистрали». Одновременно размыкающий контакт реле РУ12 размыкает цепь питания реле РУ2, которое снимает возбуждение тягового генератора. После приведения в действие тормоза машинистом включается датчик ДТЦ, рабочая камера которого соединена с тормозной камерой воздухораспределителя. При уменьшении давления в тормозной магистрали на 0,05—0,06 МПа в рабочей камере ДТЦ создается давление около 0,07 МПа, которое перемещает диафрагму и шток этого датчика, переключая контакты, отключает питание реле РУ12, гаснет сигнальная лампа «Обрыв тормозной магистрали», указывая на правильность действия машиниста. Кратковременное горение лампы ЛРТ при служебном торможении, когда она включается контактом ДДР при снижении давления в тормозной магистрали, а затем отключается контактом ДТЦ от давления в тормозной камере воздухораспределителя, свидетельствует об исправности действия схемы.

Защита сигнальных ламп и контактов реле управления. При снятии напряжения с катушек электропневматических вентилей, контакторов в цепях управления возникают большие, перенапряжения за счет самоиндукции, что проводит к выходу из строя сигнальных ламп и подгару контакторов реле управления. Для исключения такого недостатка в схему введены шунтирующие защитные цепочки, состоящие из двух последовательно соединенных диодов КД202Р и резистора. Смонтированы они в блоке резисторов БР, который установлен в правой высоковольтной камере.

Защита от обратных токов в системе генератор — двигатель и от подгара контактов контакторов ослабления возбуждения ВШ1 и ВШ2. При срабатывании какой-либо защиты в цепи реле РУ2 на любой позиции КМ или резком переводе контроллера машиниста на 0-ю позицию отключаются контакторы КВ и ВВ, а контакты ВШ1 и ВШ2 могут еще не отключиться. Поездные контакторы П1—П6 отключаются с задержкой времени 0,8—1,5 с, поэтому в системе генератор — двигатель и замкнутом контуре, образованном обмоткой возбуждения тяговых электродвигателей, закрытом главным контактом контакторов ВШ1 или ВШ2, резисторами СШ1 — СШ6, происходят переходные процессы, вызывающие повышение напряжения и появление обратных токов. Это связано с появлением э. д. с. самоиндукции в обмотках возбуждения тяговых электродвигателей при резком спаде тока тягового генератора. Обмотки двигателей становятся источниками энергии, которая гасится обратными токами на якорной обмотке тягового генератора. При отключении в этот момент контакторов ВШ1 и ВШ2 коммутируемые токи превышают номинальные в 4—5 раз, что приводит к подгарам контактов. Для исключения этого схемой предусматривается искусственная задержка отключения контакторов КВ и ВВ. Это достигается путем подпитки катушек контакторов КВ, ВВ при сбросе контроллера на 0-ю позицию через размыкающие вспомогательные контакты контакторов ВШ1 ВШ2. Отключение контакторов происходит следующим образом: в начале переходного процесса отключаются ВШ1, ВШ2 затем КВ, ВВ. Этим достигается более плавный процесс спадания напряжения тягового генератора, исключается появление обратных токов и подгар контактов контакторов ВШ1, ВШ2.

ЗАМКНУТЫЕ СИСТЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ ЭЛЕКТРОПРИВОДАМИ. РЕГУЛИРУЕМЫЙ ЭП ПЕРЕМЕННОГО ТОКА

6.1. ОСОБЕННОСТИ ЭП ПЕРЕМЕННОГО ТОКА

С ТРЕХФАЗНЫМ АСИНХРОННЫМ ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЕМ

Среди многочисленных способов регулирования скорости асинхронных трехфазных ЭД исключительная роль принадлежит частотному регулированию. В настоящее время только частотный способ позволяет регулировать скорость в широких пределах в приводе подачи или главного движения станков и ПР. Вопрос о создании и применении частотного регулируемого привода переменного тока с асинхронным короткозамкнутым двигателем вместо привода постоянного тока имеет давнюю историю. Заманчивость этой идеи связана с исключительной простотой асинхронного двигателя, являющегося традиционным для привода станков.

Высказывается мнение, что отсутствие щеточно–коллекторного узла повышает надежность двигателя и всего привода. По сравнению с современным высокомоментным ЭД асинхронный ЭД имеет меньшие размеры. Меньший момент инерции ротора позволяет получить в асинхронном ЭД высокие ускорения при относительно небольшом движущем моменте.

Асинхронный короткозамкнутый ЭД не имеет коммутационных ограничений по скорости и нагрузке, которые так усложняют эксплуатацию электродвигателя постоянного тока.

Вместе с тем использование асинхронных ЭД единой серии 4А, предназначенной для нерегулируемого привода, в системах с широким изменением скорости встречает известные трудности. Они связаны с несинусоидальностью питающего напряжения, ухудшением условий охлаждения самовентилируемых ЭД при малых скоростях и пульсацией электромагнитного момента, которая проявляется в увеличении неравномерности вращения в нижней части диапазона регулирования.

При питании асинхронных двигателей серии 4А от автономного инвертора тока или напряжения мощность на валу снижается на 8... 15%. При этом происходит снижение КПД на 2... 4% и коэффициента мощности на 0,015. При частоте 5 Гц момент ЭД снижается на 30... 40%.

Принцип частотного регулирования асинхронного ЭД базируется на линейной зависимости угловой скорости магнитного поля от частоты питающего напряжения

.

По этому принципу возможно осуществление широкорегулируемых электроприводов с жесткими механическими характеристиками. Важным преимуществом частотного привода являются благоприятные энергетические показатели. Это объясняется тем, что ЭД работает при малых скольжениях, что обусловливает малые потери и высокий КПД на всем диапазоне регулирования скорости. Это обстоятельство выгодно отличает частотное регулирование от всех других способов изменения скорости асинхронного ЭД.

При частотном регулировании одновременно с изменением частоты необходимо изменять напряжение, подведенное к статору ЭД. Это объясняется необходимостью регулирования магнитного потока во избежание насыщения, увеличения потерь в стали или уменьшения электромагнитного момента.

6.2. СИЛОВЫЕ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ

В регулируемом электроприводе переменного тока применяют полупроводниковые тиристорные и транзисторные преобразователи частоты. Электромеханические преобразователи (генераторы переменного тока) имеют ограниченное применение.

Полупроводниковые преобразователи частоты делят на: преобразователи частоты с промежуточным звеном постоянного– тока и автономным инвертором напряжения (АИН) или тока (АИТ) и преобразователи с непосредственной связью с сетью – непосредственные преобразователи частоты (НПЧ). Автономные инверторы позволяют регулировать частоту выходного напряжения как вверх, так и вниз от номинального значения частоты сети. В НПЧ частота регулируется только вниз от номинала.

Преобразователи частоты с АИН. В таких преобразователях напряжение сети сначала выпрямляется, а затем инвертируется в переменное напряжение необходимой частоты, т. е. происходит двухступенчатое преобразование энергии по схеме переменный ток – постоянный ток – переменный ток. Преобразователь частоты представляет собой комбинацию выпрямителя (промежуточное звено постоянного тока) и автономного инвертора.

Применяют три структурных варианта преобразователей частоты с АИН, отличающихся методом регулирования напряжения: 1) амплитудное регулирование напряжения с помощью управляемого выпрямителя (рис. 15.1, а); 2) амплитудно–импульсное регулирование напряжения с помощью неуправляемого выпрямителя и широтно–импульсного преобразователя (рис. 15.1, б); 3) широтно–импульсная модуляция, осуществляемая в АИН, который в этом случае выполняет функции регулятора напряжения и частоты (рис. 15.1, в).

Рис. 6.1. Схемы преобразователей частоты с АИН

При амплитудном регулировании напряжения преобразователь частоты состоит из управляемого тиристорного выпрямителя, фильтра и автономного инвертора (регулирование напряжения и частоты осуществляется раздельно). Управляемый тири–сторный выпрямитель был рассмотрен в л. 14. В приводе с частотным управлением он работает точно так же, как и в приводе постоянного тока.

Автономный инвертор представляет собой реверсивный переключатель, который подключает нагрузку на постоянное напряжение, поочередно меняя полярность подключения. Схема однофазного автономного инвертора содержит четыре полупроводниковых ключа и полностью совпадает со схемой реверсивного ШИП (см. рис. 4.8, а). Принципиальным отличием является только режим коммутации ключей. Для преобразователя частоты необходимо, чтобы время работы ключей было одинаковым. Только в этом случае напряжение на нагрузке будет представлять собой симметричные разнополярные импульсы. Выходное напряжение АИН является несинусоидальным и необходимо принимать меры для уменьшения высших гармонических составляющих.

Рис. 6.2. Схема преобразователя частоты с амплитудным регулированием напряжения и трехфазным тиристорным АИН

В АИН применяют транзисторные и тиристорные ключи. Схема преобразователя частоты с трехфазным тиристорным автономным инвертором представлена на рис. 15.2. Трехфазное сетевое напряжение выпрямляется двухполупериодным регулируемым выпрямителем V и через фильтр L₀C₀ поступает на инвертор напряжения. Конденсатор С₀ большой емкости шунтирует выпрямитель по переменному току и уменьшает его внутреннее сопротивление, что характерно для источника напряжения.

Автономный инвертор представляет собой трехфазный коммутатор, преобразующий выпрямленное напряжение в периодические прямоугольные разнополярные импульсы, аппроксимирующие синусоиду напряжения. Инвертор содержит шесть силовых тиристоров VT1... VT6 и шесть коммутирующих конденсаторов C₁... С₆. При запирании силовых тиристоров конденсаторы подключаются в противофазе к соответствующему тиристору, что приводит к резкому снижению анодного напряжения.

Коммутирующие конденсаторы отделены от обмоток статора разделяющими (отсекающими) диодами VD1... VD6. Они предотвращают разряд конденсаторов на индуктивность двигателя и образование колебательного контура. Инвертор также содержит возвратный диодный мост (диоды VD7... VD12), необходимый для протекания реактивного тока, направление которого встречно включению силовых тиристоров. Цепь тока замыкается через диоды VD7... VD12 и конденсатор С₀.

Формирование выходного напряжения инвертора зависит от способа коммутации силовых тиристоров. В тиристорном инверторе на рис. 15.2 осуществляется межвентильная (2/3) –коммутация.

Запирание каждого тиристора происходит при открывании очередного тиристора той же группы в порядке чередования фаз. Для запирания тиристора VT1 используется заряд конденсатора C₁. В тот момент, когда тиристор VT1 должен быть закрыт, открывается тиристор VT2, при этом напряжение конденсатора C₁ отрицательной полярностью подключается к аноду тиристора VT1 и запирает его. Таким образом, вынужденно устанавливается угол проводимости каждого тиристора, равный 1/3 периода выходной частоты или 2л/3.

Рис. 6.3. Работа АИН при (2/3) –коммутации силовых тиристоров: а – упрощенная схема АИН, б – диаграмма работы тиристорных ключей, в – фазное напряжение, г линейное напряжение

Чтобы определить форму фазных напряжений на выходе АИН, рассмотрим рис. 15.3, а, где все тиристоры заменены идеализированными ключами, а порядок работы ключей поясняется на рис. 15.3, б. Нагрузка инвертора включена в звезду.

Период выходного напряжения разделен на такты длительностью /3. В первый такт, как следует из рис. 15.3, б, работают ключи Т1 и Т5. Следовательно, обмотка фазы А подключена к положительному полюсу источника постоянного напряжения, а обмотка фазы В – к отрицательному. Напряжение Un делится на этих обмотках поровну. Обмотка фазы С отключена и напряжение на ней равно нулю. Прослеживая работу тиристорных ключей по диаграмме шаг за шагом, придем к выводу, что форма фазных напряжений соответствует графикам, изображенным на рис. 15.3, в. Фазные напряжения представляют собой прямоугольные импульсы длительностью (2/3) , сдвинутые по фазе на 1/3 периода (амплитуда импульсов U_d/2).

Чтобы определить линейное напряжение, необходимо найти разность двух фазных напряжений, например: .

При амплитудно–инпульсном регулировании напряжения управляемый выпрямитель заменен комбинацией неуправляемого выпрямителя и широтно–импульсного преобразователя (см. рис. 15.1, б). Напряжение сети выпрямляется, фильтруется и регулируется с помощью ШИП. На выходе ШИП формируются прямоугольные импульсы, поэтому необходим еще один фильтр для сглаживания высокочастотных пульсации напряжения. Звено постоянного тока структурно более сложно, однако по сравнению с управляемым выпрямителем число силовых тиристоров уменьшается. Регулирование частота осуществляется АИН. Таким образом, в преобразователях частота этого типа частота и напряжение также регулируютея раздельно.

В третьем структурном варианте преобразователя частоты с АИН осуществляется широтно–импульсная модуляция (ШИМ) напряжения в самом инверторе (см. рис. 15.1, б). При этом инвертор не только изменяет частоту выходного напряжения, но и регулирует его амплитуду, что позволяет отказаться от регулируемого тиристорного выпрямителя в звене постоянного тока и использовать более простой нерегулируемый диодный выпрямитель.

Принцип действия инвертора с ШИМ иллюстрирует рис. 15.4.

Рис. 6.4. График выходного напряжения инвертора с ШИМ

Период синусоидального сигнала разбивается на большое число малых интервалов длительностью . На каждом интервале создаются два равнополярных импульса длительностью и . Если длительность положительного и отрицательного импульса одинакова, то среднее значение напряжения на интервале равно нулю. В противном случае получают положительное или отрицательное среднее напряжение, пропорциональное модулю разности длительности этих импульсов .

Когда один из импульсов имеет нулевую длительность, получают максимальное среднее напряжение, равное U_d – ШИМ позволяет уменьшить высшие гармонические составляющие в выходном напряжении инвертора и приблизить его к точной синусоиде. Точность аппроксимации синусоиды повышается по мере увеличения частоты коммутации, которая определяется, в первую очередь, динамическими возможностями силовых ключей. Поэтому в преобразователях частоты с ШИМ применяют ключи на силовых транзисторах.

6.3. Преобразователи частоты с автономными инверторами.

Преобразователь частоты с АИТ обеспечивает постоянство тока нагрузки независимо от режима работы, т. е. обладает свойствами источника тока. Идеальный источник тока должен иметь бесконечно большое внутреннее сопротивление. В реальных преобразователях частоты принимают меры по увеличению внутреннего сопротивления.

Преобразователь частоты с АИТ (рис. 15.5) состоит из управляемого выпрямителя, фильтра и автономного инвертора, т. е. структура АИТ совпадает со структурой АИН. Отличие заключается в том, что фильтр имеет дроссель L с большой индуктивностью и, следовательно, большим индуктивным сопротивлением, что увеличивает полное внутреннее сопротивление источника.

Рис. 6.5. Схема преобразователя частоты с АИТ

Кроме того, управляемый выпрямитель охвачен обратной связью по току, стабилизирующей ток по нагрузке. Схема трехфазного инвертора тока в основном совпадает со схемой инвертора напряжения (см. рис. 15.2). Однако в нем нет обратного диодного моста и конденсатора фильтра. В таком инверторе форма тока не зависит от характера нагрузки. В противоположность этому нагрузка оказывает влияние на выходное напряжение АИТ. На выходе инвертора образуются Прямоугольные импульсы тока, индуктивность нагрузки сглаживает напряжение и форма кривой напряжения отличается от прямоугольной.

6.4. НЕПОСРЕДСТВЕННЫЕ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ ЧАСТОТЫ

НПЧ осуществляет однократное преобразование электрической энергии, поэтому в нем нет промежуточного звена постоянного тока, и силовой преобразователь питается синусоидальным напряжением сети, изменяя его амплитуду и частоту. Такие преобразователи часто называют инверторами, ведомыми сетью. По своей структуре НПЧ является реверсивным управляемым выпрямителем, на который подается синусоидальное управляющее напряжение.

Принцип действия НПЧ поясняет рис. 15.6, а.

Рис. 6.6. Схема однофазного НПЧ (а), график выходного

напряжения (б) и схема трехфазного мостового НПЧ (в)

Два однофазных двухполупериодных выпрямителя V1 и V2 включены встречно–параллельно на однофазную нагрузку Z_н. Напряжение задания

.

Пусть частота задания значительно меньше частота сети ( ). В положительный полу период управляющего напряжения работает выпрямитель VI. При этом угол управления тиристорами сначала уменьшается, достигает минимума, а затем увеличивается. Это приводит к тому, что среднее значение выпрямленного напряжения изменяется примерно по синусоидальному закону. В отрицательный полупериод работает выпрямитель V2 и образуется отрицательная полуволна напряжения на нагрузке.

Очевидно, что для управления амплитудой выходного напряжения (рис. 15.6, б) достаточно изменять амплитуду напряжения, управляющего тиристорными выпрямителями. При этом произойдет пропорциональное изменение углов управления тиристоров, но синусоидальный закон останется неизменным.

Однофазные преобразователи имеют большие пульсации выходного напряжения и на практике применяют трехфазные мостовые преобразователи частоты (рис. 15.6, в). Трехфазный НПЧ состоит из трех реверсивных мостовых тиристорных выпрямителей VA, VB и VC, на которые подается трехфазное управляющее напряжение. Обмотки трехфазного исполнительного двигателя (фазы А–X, В–Y и С–Z) включены независимо на средние точки выпрямителей.

Из принципа действия НПЧ вытекает его особенность – однозонное регулирование частоты только в сторону уменьшения от

носительно частоты сети. При этом, хотя теоретически максимальная частота выходного напряжения совпадает с частотой сети, но на практике это значение примерно вдвое меньше. Из этого следует, что НПЧ выгодно применять в тихоходном электроприводе. Из принципа действия НПЧ вытекает его особенность – однозонное регулирование частоты только в сторону уменьшения относительно частоты сети. При этом, хотя теоретически максимальная частота выходного напряжения совпадает с частотой сети, но на практике это значение примерно вдвое меньше. Из этого следует, что НПЧ выгодно применять в тихоходном электроприводе.

6.5. ЧАСТОТНОЕ УПРАВЛЕНИЕ ЭП

При частотном управлении одновременно с изменением частоты питания цепи статора необходимо также изменять напряжение, подведенное к статору. Если пренебречь падением напряжения в цепи статора, то можно считать, что напряжение на обмотке статора равно ЭДС:

,

где N₁ – число витков обмотки статора.

Предположим, что U₁ = const, тогда при уменьшении частоты f₁ магнитный поток будет возрастать, что приведет к насыщению магнитной системы, увеличению потерь на гистерезис и вихревые токи, снижению КПД. Увеличение частоты вызовет уменьшение магнитного потока. При этом уменьшится момент ЭД, что также приводит к нежелательным последствиям.

Существует несколько принципов одновременного регулирования частоты и напряжения. Чаще всего стремятся сохранить постоянной перегрузочную способность ЭД, т. е. сделать так, чтобы при всех режимах отношение максимального момента к моменту сил сопротивления оставалось постоянным: = М_к/М_c = const. Таким образом, мы приходим к выводу, что напряжение необходимо регулировать не только в функции частоты, но и в функции нагрузки.

Критический момент трехфазного асинхронного ЭД

.

Если пренебречь активным сопротивлением статора, то

Индуктивное сопротивление пропорционально частоте. Следовательно, критический момент прямо пропорционален квадрату напряжения и обратно пропорционален квадрату частоты, поэтому

.

Сравним между собой два режима работы асинхронного ЭД, один из которых примем номинальным.

. (15.1)

Таким образом, для сохранения постоянной перегрузочной способности необходимо изменять напряжение пропорционально частоте и корню квадратному от момента нагрузки Этот общий принцип регулирования может быть уточнен для конкретных режимов работы станочного электропривода.

При регулировании с постоянным максимально допустимым моментом можно при всех режимах принять М_с = М_{с ном}, тогда из (15.1) следует

или

. (15.2)

Механические характеристики двигателя при таком законе регулирования изображены на рис. 15.7, а.

Рис. 6.7. Механические характери стики ЭД при регулировании скорости

с постоянным моментом (а) и постоян ной мощностью (б)

Если регулирование производится с постоянной максимально допустимой мощностью Р = Р_ном, то можно считать, что скорость ЭД пропорциональна частоте, тогда

.

Подставив это значение в (15.1), получим

или

. (15.3)

Механические характеристики двигателя при изменении напряжения пропорционально корню квадратному из частоты представлены на рис. 15.7, б

Благодаря своей простоте зависимости (15.2) и (15.3) широко распространены на практике, однако они являются приближенными и не обеспечивают оптимального регулирования ЭД. При малых частотах и малых напряжениях на ЭД возрастает роль падения напряжения на активном сопротивлении статора. Если снижать напряжение строго пропорционально частоте, то это приведет к уменьшению магнитного потока ЭД Поэтому в частотном приводе напряжение должно снижаться в меньшей степени, чем это следует из (15.2). Для этого применяют систему –компенсации, в которой закон регулирования (15.2) заменен соотношением

= const. (15.4)

В приводах, в которых производится компенсация падения напряжения на сопротивлении статора, поддерживается постоянное соотношение между частотой и напряжением . Это напряжение отличается от напряжения сети на величину падения напряжения на активном сопротивлении статора.

Упрощенная схема частотного электропривода с – компенсацией представлена на рис. 15.8.

Рис. 6.8. Схема частотного регулируемого электропривода с IR – компенсацией

В приводе использован автономный инвертор напряжения АИН с промежуточным управляемым выпрямителем (УВ). Сигнал U_f определяющий заданную частоту, поступает на регулятор напряжения (РН) и систему управления тиристорами инвертора. Датчик тока (ДТ) производит измерение тока статора I₁ и вырабатывает напряжение, пропорциональное падению напряжения на сопротивлении статора I₁R₁. В функциональном преобразователе (ФП) образуется модуль разности напряжения на статоре ЭД и падения напряжения I₁R₁, который поступает на регулятор напряжения.

Этот регулятор вырабатывает управляющее воздействие, которое поступает на тиристорный выпрямитель и реализует зависимость (15.3). В результате выходное напряжение тиристорного управляемого выпрямителя изменяется так, чтобы обеспечить необходимую связь между напряжением и частотой.

Очевидно, что в приводе с IR – компенсацией существует обратная связь по напряжению статора. Кроме того, в этих приводах применяют обратные связи по скорости, току и т.п. (эти обратные связи на рис. 15.8 не показаны).