Влияние уровня напряжения на работу тягового электрического двигателя.

На электровозе постоянного тока 3 кВ и однофазного переменного тока 25 кВ используются двигатели постоянного тока с последовательным возбуждением. На электровозе переменного тока регулирование напряжения обеспечивается регулированием коэффициента трансформации тягового трансформатора электровоза (изменение положения контроллера).

Напряжение на тяговом двигателе влияет на скорость, силу тяги, на температуру обмоток двигателей и условия работы вспомогательных цепей электровоза.

Частота вращения якоря двигателя постоянного тока с последовательным возбуждением (скорость электровоза) в установившемся режиме

V = (U –IR) / CФ,

где U – напряжение на зажимах двигателя, В; I – ток двигателя, А; R – омическое сопротивление обмоток двигателя, Ом; Ф – магнитный поток, Вб; С – постоянный параметр двигателя.

При равной нагрузке двигателя I и при различном напряжении на тяговом двигателе отношение установившихся скоростей движения равно отношению электродвижущих сил (магнитные потоки определяются значением тока нагрузки)

V₁ / V₂ = (U₁ –IR) / (U₂ –IR)

где V₁ и V₂ скорости поезда, соответствующие напряжениям U₁ и U₂ .

Сопротивление обмоток и падение напряжения в тяговом двигателе малы по величине и дляустановившегося режима отношение напряжений и скоростей движения

U₁ / U₂ ≈ V₁ / V₂.

При повышении или понижении напряжения на электродвигателе электровоза скорость движения поезда мгновенно измениться не может из-за большой массы поезда. Изменение скорости происходит постепенно.

Рассмотрим процесс изменения скорости при уменьшении напряжения на двигателе с U₁ до U₂ , где U₁ > U₂.

На рис. 1 дана характеристика V(I) при U₁ (кривая 1) и U₂ (кривая 2) и общая для обеих характеристик F(I) (cила тяги от тока) (кривая 3).

Если электровоз работал в установившемся режиме при напряжении U₁, двигался со скоростью V₁ (точка А₁ кривой 1) при силе тяги F₁, потреблял ток I₁. При этом скорость поезда равна V₁ = (U₁ –I₁R) / С₁Ф₁ и тяговое усилие F₁ = С₁I₁Ф₁.

После понижения напряжения до уровня U₂ двигатель работает по характеристике 2, ток уменьшится до I₂ и скорость на этой характеристике соответствует V₁ ( точка В). При этом I₂ = (U₂ - V₁ С₂ Ф₂) / R

Снижение тока вызывает уменьшение силы тяги до величины F₂ =

С₂ I₂Ф₂.

При силе тяги F₂ < F₁ движение поезда замедляется. Из-за снижения скорости ток и сила тяги увеличиваются до наступления нового установившегося режима при скорости V₃ (точка С).

Сила тяги F₃ и ток I₃ при этом режиме приближается к первоначальному значению. Некоторое разница значений силы тяги F₃ и ток I₃ определяется уменьшением сопротивления движения из-за снижения скорости с V₁ до V₃.

Если пренебречь некоторым снижением сопротивления движению из-за снижения скорости, то установившийся режим наступит когда в цепи двигателя наступит прежнее значение тока I₁ сила тяговое усилие F₁ (точка А₂ на кривой 2).

При резком повышении напряжения от U₂ до U₁ процесс протекает в обратном порядке. В первый момент ток и сила тяги увеличиваются соответственно до I₄ и F₄ (точка Д).

В результате начнёт увеличиваться скорость и снижаться сила тяги пока не установится равной F₁ и прежняя скорость V_1.

Падение напряжения IR в цепи двигателя не превышает 5 % от напряжения двигателя. Поэтому можно считать V = U / CF.

В установившемся режиме ток I двигателя не меняется и можно записать соотношение

V₁ / V₂ = U₁ / U₂ .

Рассмотрим процесс изменения скорости при уменьшении магнитодвижущейся силы (МДС) двигателя поезда при ослаблении возбуждения двигателя.

При первоначальной большой МДС двигателя поезд двигался с установившейся скоростью V₁ при силе тяги F₁ и токе I₁ . Этот режим соответствует точки «а» рис. 2 зависимости F(I) и V(I) при большем (1,2) и меньшем (3 и 4) возбуждении.

После уменьшения возбуждения (МДС) ток возрастает до значения I₂ соответствующего скорости V₁ (точка «в») на характеристике ослабленного возбуждения (3). При этом одновременно увеличится сила тяги F₂ > F₁ и, следовательно, увеличится скорость. По мере увеличения скорости уменьшается ток и сила тяги до тех пор пока не будет достигнута новое состояние равновесия при токе I₃ и силе тяги F₃ (точка «с»). Сила тяги F₃ незначительно превышает первоначальное значение F₁ вследствие некоторого увеличения сопротивления движения поезда при повышении скорости от V₁ до V₃.

Выводы:

1.Скорости движения поезда и пропускная способность железной дороги по устройствам электроснабжения в установившемся режиме пропорциональны напряжению на электровозе.

2.Пропускная способность участка дороги пропорциональна скорости движения и поэтому обеспечение номинального напряжения на электровозе в течении всего времени хода поезда является важной технико-экономической задачей системы тягового электроснабжения;

3. Низкий уровень напряжения на электровозе, необходимость поддержания скорости движения поезда в заданных графиком движения пределах приводит к увеличению времени движения поезда под током и переходу на позиции с ослаблением возбуждения. Это увеличивает потери энергии в обмотках тяговых двигателей электровоза и тяговой сети.

4.Обеспечение номинального напряжения на электровозе в течение времени хода поезда по МПЗ является важной технико-экономической задачей системы электроснабжения