Тяговые свойства ЭПС с асинхронными тяговыми двигателями

Важным показателем для ЭПС является использование его сцепного веса в реализации силы тяги. Этот показатель во многом определяется жесткостью характеристик тягового двигателя.

Жесткость тяговой характеристики оценивается приращением си-

1_С-1 ЛР

лы тяги с увеличением скорости движения 1571: хг ~

Практический интерес представляет жесткость в области больших нагрузок, превышающих нагрузки часового режима. При сравнительной оценке жесткости тяговых характеристик ЭПС различных типов можно пользоваться относительными значениями жесткости:

Аналогично оценивается жесткость тормозной характеристики:

Кривая 1 на рис. 11.14 представляет собой жесткую, а кривая 2 мягкую тяговые характеристики, кривая 3 - зависимость силы сцепления колесной пары от скорости движения. Если сила сцепления при скорости, отвечающей точке А, снизится на величину А/¹', то начнется боксование колеса (точка Б). Скорость движения буксующего колеса будет равна сумме скоростей поступательного движения ц„ и скорости скольжения о_сК колеса по рельсу. В процессе боксования сила

сцепления будет снижаться [см. кривую 4, представляющую собой зависимость /^_сц(и_сК)1.

Далее характер процесса боксования зависит от жесткости характеристик.

В случае жесткой характеристики двигателя в процессе боксования сила сцепления при скорости, отвечающей точке К, окажется равной силе тяги, создаваемой тяговым двигателем. Скольжение колеса по рельсу прекратится, н наступит новое положение равновесия.

При двигателях с мягкой характеристикой случайно возникшее боксование колес будет развиваться и стремиться перейти в разносное боксование. По мере увеличения скорости скольжения колеса в процессе боксования разность между силой тяги, развиваемой тяговым двига-лем (кривая 2), и силой сцепления (кривая 4) будет возрастать. Для прекращения боксования надо принимать меры, повышающие силу сцепления колес с рельсом или уменьшающие силу тяги.

Рис. 11.14. Характеристики процессов боксования при мягких и жестких тяговых характеристиках

Рассмотрим эти процессы при применении асинхронных тяговых двигателей. На ЭПС с АТД частота тока статора автоматически регулируется в зависимости от частоты вращения ротора /_вр и в режиме тяги /i = /вр + ft- Результаты испытаний отечественного и зарубежного ЭПС показали существенную зависимость противобоксовочных свойств тягового асинхронного двигателя от способа измерения /_вр. Наиболее целесообразен способ, при котором /_вр измеряется на основе поступательной скорости, например от датчика, установленного на бегунковой оси (электропоезда). При отсутствии бегунковых осей практически такие же результаты (исключая режим одновременного боксования всех осей) можно получать, если оборудовать датчиками все двигатели локомотива, что позволяет выбирать минимальное значение /_{вр m}i_n.

При указанных способах измерений /_вр регулятор не реагирует на увеличение частоты вращения ротора двигателя, связанного с колесной парой, у которой нарушились условия сцепления. Поэтому характеристики боксующего АТД следует рассматривать при условиях = const, /₂ = -/_вр = var. При этом принимаем неизменным фазное

напряжение U_x.

Известно, что ускорение ротора (достаточно быстрое во времени изменение скольжения df₂ldt) может существенно влиять на характеристики асинхронной машины. Поэтому представляет практический интерес рассмотреть жесткость тяговой характеристики АТД при срыве сцепления с учетом изменения /₂. Известно [51, что при dfjdt Ф 0 динамическая характеристика М Q_t) тем сильнее отличается от статической характеристики, чем больше коэффициент К_л:

(11.20)

где Т_г = х_кЦг'_г -2л/|) - постоянная обмотка ротора; -индуктивное сопротивление короткого замыкания; *_кр = /_2кр- относительное критическое скольжение.

Для различных асинхронных машин, обладающих одинаковыми значениями К_я, характеристики М (/₂) в относительных единицах подобны друг другу. Известна методика расчета универсальных характеристик для различных значений К._я 158], которая использована при определении динамических характеристик АТД в случае срыва сцепления.

При нарушении сцепления колес с рельсами ротор АТД приобретает угловое ускорение:

где М - текущее значение момента; Л4_СЦ - момент нагрузки, определяемый сцеплением колес с рельсами; J_e -- суммарный момент инерции ротора и связанной с ним колесной пары; М_иац - избыточный момент.

Из-за множества факторов, влияющих на коэффициент сцепления, не представляется возможным при боксовании однозначно задать М_сц в функции времени. Поэтому целесообразно ориентироваться на реальные значения ускорения боксующей оси, известные по опыту эксплуатации. Поскольку при числе пар полюсов р частота вращения ротора n_t - (/| - ft)lp, то при = const имеем dfjdt - - р dnjdt.

Линейная скорость колеса по кругу качения

v=nD_Hn_t/\i = nD_K (Л -/з)/(рц) =яО_к /вр(РИ) • (11.22)

Поэтому величина df_tldt связана с линейным ускорением боксующей оси а соотношением

(11.23)

Если пренебречь потерями в редукторе, то сила тяги иа ободе колеса /^ = 2 М[іЮ_к. С учетом выражений (11.20) и (11.23) получим

(11.24)

В качестве примера выполним расчеты применительно к АТД типа НБ-602 электровоза ВЛ80*, для которого Т_г = 0,04 с; /,_кр = 4 Гц; р - 4; ?>„ = 1,25 м; р = 4,4; J_c = 90 кг-м¹; К_я = 0,044.

Абсолютная жесткость тяговой характеристики - - А^/До, где ДЕ - уменьшение силы тяги при возрастании окружной скорости колеса на величину Ап.

Из опыта эксплуатации известно, что на электровозах в начале срыва сцепления линейное ускорение колеса превышает 0,6 м/с¹ и по

мере развития боксования может достигать значений 2-5 м/с*. Если при расчете принять а = 5 м/с*, тогда с учетом выражений (11.23) и (11.24) получим (ії^сИ - 22 Гц/с; К_а = 0,22.

Пусть перед срывом сцепления двигатель развивал вращающий момент - 11,3 кН-м и реализовал силу тяги = 80 кН при коэффициенте сцепления ф = 0,33 и нагрузке колесной пары на рельс 240 кН. На рис. 11.15 данному режиму соответствует точка А и скольжение ротора /,₀ = 1,2 Гц. Примем, что в процессе боксования коэффициент сцепления снижается до минимального значения

Рис. 11.15. Характеристики тягового двигателя НБ-602 с учетом ускорения ротора:

1 - /(д-0; 2 - /(я-0,22; 3 - Кд-0.бв

г|5 = 0,1 (например, при наезле на масляное пятно) и для точки Б имеем Г₂=24 кН, М₂ - 3,3 кН-м.

Согласно выражению (11.23) при увеличении числа полюсов машины возрастает коэффициент К_л, динамическая характеристика двигателя более значительно отличается от статической и потому возрастает (по абсолютному значению) приращение А/_Вр, при котором момент двигателя снижается до нуля. Из выражения (11.22) следует, что при заданном приращении Д/_вр увеличение числа пар полюсов ведет к снижению приращения скорости До. Поэтому число пар полюсов машины слабо влияет на жесткость динамической характеристики АТД.

Для динамической характеристики важным параметром является абсолютное скольжение/г, при котором момент М - 0. По мере увеличения коэффициента К_а скольжение /г по абсолютному значению возрастает (но /г < 0). Влияние коэффициента К_а на скольжение /₂ поясняется на рис. 11.16.

При неизменном значении К_а = 0,22 двигатель имеет динамическую характеристику М (/₂), представленную кривой 2 на рис. 11.15, которая пересекает ось абсцисс при /і « -1 Гц. Для этой характеристики Д/_вр = 2,2 Гц, что соответствует приращению окружной скорости До = 1,7 км/ч. Усредненная абсолютная жесткость характеристики 2 составляет хр = 46 кН-ч/км, а относительная жесткость (при Б = 80 кН) = 3,6 Хр/^і = 2 с/м. Для статической характеристики 1, соответствующей ускорению а = 0, соответственно имеем: Хр - 80 кН-ч/км, = 3,6 с/м. Следовательно, при ускорении а -= 5 м/с² жесткость тяговой характеристики АТД типа НБ-602 уменьшается примерно в 1,8 раза.

Известно, что высокие противобоксовочные и тяговые свойства локомотива достигаются (при прочих равных условиях) в том случае, если жесткость тяговой характеристики равна или больше жесткости ниспадающей ветви характеристики сцепления ф (о), которая имеет максимальное значение при скорости, близкой к нулю, и равна пример-^но Хсц =0>9 с/м. В рассмотренном случае указанное условие выполняется, причем для ветви 2 показатель х^ превышает Хсц более чем в 2 раза.

Время, за которое по характеристике 2 будет достигнуто приращение Д/_вр = 2,2 Гц при ускорении а - 5 м/с² (т. е. при - -

= 22 Гц/с), составит 0,1 с. По истечении времени примерно ЗТ₂- = 0,12 с свободная составляющая тока ротора практически снизится до нуля и в конце переходного процесса момент и скольжение двигателя будут определяться точкой Б на статической характеристике /. Так как свободная составляющая тока ротора, избыточный момент двигателя и ускорение ротора при подходе к точке Б постепенно снижаются до

нуля, то за время переходного процесса момент двигателя в действительности определяется не характеристикой 2, а кривой 2'. Поэтому Д/яр составит не более 1,5 Гц и кратковременное (на время ие более 0,1 с) приращение окружной скорости колес не превысит 1-1,2 км/ч.

Нанесенная на рис. 11.15 кривая 3 для К_л = 0,56 соответствует ускорению а = 13 м/с* (при - = 56 Гц/с), которое существенно

превышает ускорение боксующих осей, отмеченное в эксплуатации. Теоретически ускорение такой величины возможно при мгновенном уменьшении коэффициента сцепления с 0,33 до 0,1, начальном моменте двигателя 11,3 кН-м и моменте инерции У_с = 90 кг-м². Для характеристики 3 получаем: Д/_Вр = 3,2 Гц, До=2,5 км/ч, усредненное значение жесткости Хр - 35 кН-ч/км и %р = 1,4 с/м. Следовательно, и для характеристики 3 выполняется условие х? >Хсц-

В экспериментах на электровозе ВЛ80^а при наездах на замасленные рельсы зафиксированные значения приращения окружной скорости колес были меньше 1 км/ч. Это свидетельствует о том, что благодаря высокой жесткости тяговой характеристики АТД фактическое значение линейного ускорения колес при срыве сцепления ниже принятого в расчете значения 5 м/с² и динамическая характеристика меньше отличается от статической, чем кривая 2 от кривой 2'.

Известно, что высокими противобоксовочными и тяговыми свойствами обладают локомотивы при независимом возбуждении двигателей постоянного тока. Они имеют жесткость тяговой характеристики 0,6-1 с/м. Как показано на примере асиихроиного двигателя НБ-602, при линейном ускорении колес больше 10 м/с² его тяговая характеристика имеет жесткость не менее 1,4 с/м и по данному показателю он превосходит двигатель постоянного тока с независимым возбуждением. Следовательно, асинхронный привод обладает лучшими противобоксовочными свойствами (при срыве сцепления колеса с рельсом изменение частоты вращения двигателя незначительно).

Вместе с тем в процессе испытаний опытного электровоза ВЛ80^а-751 обнаружено, что при срыве сцепления колеса с рельсом происходит периодическое изменение частоты вращения ротора (изменяется и его абсолютное скольжение), сопровождающееся значительными колебаниями тока АТД. Таким образом, возникновение колебаний тока АТД служит сигналом о работе двигателя на пределе по сцеплению. Эти колебания проявляются в фазном токе /, двигателя и во входном токе 1_а инвертора и имеют низкую частоту (3-=-10 Гц). Указанные колебания тока могут быть легко выявлены. Это позволяет создать быстродействующие датчики обнаружения срыва сцепления на подвижном составе с АТД.

Для ограничения амплитуды колебаний токов, силы тяги АТД и для восстановления условий сцепления целесообразно кратковременно снизить напряжение на двигателе и произвести подачу песка. На электровозе ВЛ80^а-751 для быстрого уменьшения напряжения, подводимого к АТД, было использовано устройство импульсной токовой отсечки, которое при срабатывании прекращало поступление импуль-

Рис. 11.17. Осциллограммы процессов срыва сцепления при наезде иа замасленные рельсы без подачи песка (а) и при автоматической подаче песка (б)

сов управления на тиристоры выпрямителя. При этом выпрямитель переводился в «буферный» режим и выпрямленное напряжение на входе инвертора кратковременно снижалось до нуля. Запаздывание срабатывания токовой отсечки (при включении и отключении) ие превышало одного полупериода напряжения питающей сети (50 Гц).

Оценку поведения асинхронного тягового привода при срыве сцепления осуществляли путем выявления по осциллограммам колебаний силы тяги относительно начального ее значения перед срывом сцепления. Наиболее характерным показателем в режиме срыва сцепления является минимальное значение силы тяги Р_т1а, которое характеризует провал силы тяги после срыва сцепления. Осциллограмма, показанная на рис. 11.17, а, характеризует процесс срыва сцепления при наезде на масляное пятно без подачи песка. Работает устройство токовой отсечки, реагирующее на колебания фазных токов АТД; частота тока статора составляет около 7 Гц. На осциллограмме зафиксироваиы колебания выпрямленных токов четырех АТД одной секции электровоза и колебания силы тяги, причем А_т|„ составляет примерно 0,5 начального значения Р₀.

Эксперименты показали также, что использование устройства автоматической подачи песка (при возникновении колебаний токов АТД) обеспечивает эффективное гашение колебательного процесса при срыве сцепления, уменьшение провала силы тяги и быстрое восстановление сцепления. Эффективность совместной работы устройств токовой отсечки и автоматической подачи песка была проверена в экспериментах, во время которых масло подавалось под оба колеса первой по ходу колесной пары электровоза по шлангам из кабины машиниста. Осциллограмма срыва и восстановления сцепления для этого случая приведена на рис. 11.17, б. Поскольку на локомотиве с АТД при срыве сцепления линейная скорость осей увеличивается незначительно, то при подаче песка примерно через 0,5 с сцепление было восстановлено, колебания токов и силы тяги были прекращены. Сила тяги достигла своего первоначального значения /¦'₀.

Выполненные на электровозе ВЛ80^а-751 экспериментальные исследования показали, что в режимах срыва сцепления (в том числе при подаче масла под переднюю колесную пару) на локомотиве с АТД использование несложных устройств, реагирующих на колебания тока двигателя, позволяет быстро восстановить сцепление при небольшом провале силы тяги. Увеличение линейной скорости колесных пар при срыве сцепления не превышает 0,5 км/ч. При рациональном выполнении устройств регулирования частоты и защиты локомотив с АТД обладает высокими противобоксовочными свойствами и по данному показателю превосходит локомотивы с традиционными системами тягового электропривода.

12. АВАРИЙНЫЕ РЕЖИМЫ И УСТРОЙСТВА ЗАЩИТЫ ЭПС