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 v_п производят реостатный пуск. В этот период э. д. с. двигателей возрастает настолько, что возможен переход при определенном значении пускового тока I_п на характеристики двигателя при выключенных реостатах. При движении подвижного со­става желательно осуществлять его пуск с наибольшим током I_пmax. 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 I_п = const. Этому соответствует практически неизменная пусковая сила тяги F_п и постоянное пусковое ускорение а_п. Таким образом, пусковой процесс желательно вести при:
I_п = const, F_п = const и а_п = const.

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 I_п и F_п .

Пусковой ток

(1)

или

(2)

Так как I_п = 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 R_n

(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 R_n0 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 R_n, считая I = I_п и Ф = Ф_п:

(8)

или

(9)

При I_п = const магнитный поток также будет постоянен, т. е. Ф_п = const.

Обозначив в уравнении (9) постоянную величину U/I_n через А, а СФ/I_п через В, получим

R_n + r = A – Bv (10)

Изобразим графически зависимость сопротивления пускового реостата от скорости R_n(v) при I_п = const.

На рис. 2 отложим по оси ординат скорость, по оси абсцисс - вправо ток двигателя, влево - полное сопро­тивление силовой цепи двигателя R_п + r.

Рис. 2. Построение зависимости сопротивления пускового реостата от скорости при I_п = const

В правом координатном углу построим скоростную характеристику v(I) при полностью выведенном пусковом реостате. Так как зависи­мость R_n(v) согласно выражению (10) при I_п = 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 R_n = 0 и так как при этом v = v_n. Пусковая скорость v_n может быть найдена по скоростной характеристике v(I) при токе I_п. 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 R_n, 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 (R_n = 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 I_п, а следовательно, пусковое ускорение а_п и пусковую силу тяги F_п, 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 I_пср , который не должен быть выше максимального тока I_пmax, соответствующего наибольшей допустимой нагрузке двигателя и условиям сцепления, и не меньше минимального тока I_{п 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 I_{п ср}, F_пср и а_пср - средние значения тока, силы тяги и ускоре­ния в процессе пуска. Соотношение этих коэффициентов для одного и того же расчетного режима таково: к_I<к_F<к_а. 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 I_пmax должно быть меньше наибольшего допустимого тока по коммутации I_ком, 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 F_{n max} находят наибольшее допустимое значение пускового тока по сцеплению I_{сц 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 k_з > 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 k_з = 1, при малом числе ступеней и неавтомати­ческом пуске k_з = 1,15 - 1,20.

Диаграмма ступенчатого пуска.Рассмотрим процесс ступенчатого пуска с заданными пределами токов от I_{п min} до I_{п 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 R_n + r =f(v) для трех неизменных значений пускового тока I_{п min}, I_{п ср} и I_{п max}. Построение ведется так же, как было проведено выше. Прямая a₁b₁ соответствует максимальному пусковому току I_{п max}, прямая a₂b₂ среднему значению пускового тока I_{п ср} и прямая a₃b₃ минимальному значению пускового тока I_{п min}.

Рассмотрим процесс постепенного разгона двигателя. Примем, что ток в момент трогания равен I_{п max}, хотя в действительности пусковой ток желательно увеличивать постепенно, вводя несколько дополнительных ступеней пускового реостата.

Если в момент пуска ток равен I_{п max,} то началом пусковой диаграммы будет точка а₁ при скорости v = 0 на прямой a₁b_1. Сопротивление реостата в этот момент будет равно R_n1 и изобразится отрезком О^/а₁. Этому сопротивлению будет соответствовать скоростная характе­ристика v(I) при R_n1.

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 R_n1 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 I_{п min}, чему соответствует точка с на диаграмме R_n + 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 I_пmax (точка d). Отрезок cd представляет соответствующую ступень пускового реостата, которую необходимо вывести, т. е. разность между сопротивлением первой ступени R_n1 и второй R_n2.

Далее двигатель продолжает разгоняться при включен­ном в его цепь сопротивлении пускового реостата R_n2. Процесс пуска на этой ступени изображается прямой dс. По мере возрастания скорости от точки d до точки е пусковой ток уменьшается от I_пmax до I_{п 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 a₃b_3. Причем на каждой ступени пускового реостата ток изменяется от I_пmax до I_{п min}.

В точке b₁ все сопротивление пускового реостата выведено R_n = 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 R_n + r =f(v), необходимо в правом координатном углу построить характеристики v(I) для всех ступеней пускового реостата R_п1, R_п2, R_п3 и R_п4. Нанести на эти характеристики ограничения по I_пmax и I_{п 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 R_n + r =f(v) будет соответство­вать точка с' при I_{п 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 R_n + 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 R_n. 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 I_пmin.до I_пmax, 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 I_пmin (точка а), можно либо продолжать работу по кривой v₁, но уже с токами, меньшими I_пmin, 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 I_пmax, 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 F_n, поток СФ_п и ускорение а_п будут постоянными. Так как a_n = const, скорость будет пропорциональна времени

v = a_пt_п, (18)

отсюда общее время пуска

.(19)

Э. д. с. Е = СФ_пv с учетом выражения (18) запишется

Е = СФ_пa_п t_п (20)

и изобразится в функции времени t прямой линией 1 (рис. 5).

Напряжение на двигателе больше э. д. с. на величину падения напряжения

U_д = E + I_пr (21)

и изобразится прямой 2, но сдвинутой от начала координат на величину 1_пr. Двигатель в точке а, соответствующей концу пуска, работает с полностью выведенными реоста­тами, и приложенное к нему напряжение равно напряже­нию сети. Разность ординат U_с и напряжения на двигателе U_д представляет собой потери в пусковом реостате I_п R_n. 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 I_п получим диаграмму распределения мощностей при пуске (рис. 6). Прямая 1 изображает электромагнитную мощность двигателя ЕI_п = СФ_пvI_п, которая при принятых выше допущениях равна полезной мощности двигателя в период пуска. Прямая 2 соответст­вует подведенной к двигателю мощности СФ_пvI_п +1²_пr, а разность ординат подведен­ной и полезной мощностей - потерям мощности в двига­теле и передаче. Ординаты линии U_сI_п соответствуют мощности, потребляемой из сети, следовательно, раз­ность ординат U_сI_п 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 + S_3.

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 U_сI_п, 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 k_п. Так, в случае, приведенном на рис. 7, коэффициент пуска будет равен отношению площадей суммы треугольников 0аЬ и bсd к площади треугольника 0de или

k_п = (SA0ab + SΔbcd)/SΔ0de = 0,5.