Электрическое оборудование электровозов

Электрическое оборудование контактного электровоза включает в себя тяговые электродвигатели, электродвигатели компрессора и вентилятора, электромагниты пневмоклапанов, аппаратуру управления электродвигателями (пусковые реостаты и контроллер или устройство комплектное тиристорное), токоприемники, фары и сигнальные фонари, выключатель блокировки сиденья машиниста и др.

При реостатной схеме управления пуск электровоза, регулирование скорости его движения и тормозного усилия при динамическом торможении производится контроллером путем изменения сопротивления на различных позициях пускового реостата, включенного в цепь тяговых двигателей. Пусковые сопротивления состоят из отдельных элементов с большим удельным сопротивлением, выполненных, например, из фехраля.

Устаревшая реостатная схема управления тяговыми электродвигателями наиболее простая, но имеет такие существенные недостатки, как большие (до 20—30 %) потери энергии в сопротивлениях ввиду необходимости работы с пониженными скоростями на реостатных характеристиках, резкое изменение тока и силы тяги при переходе с одной пусковой позиции на другую, вследствие чего недоиспользуется сила сцепления колес электровоза с рельсами в период пуска. Неэкономичность реостатной схемы управления особенно ощутима в аккумуляторных электровозах ввиду ограниченной энергоемкости аккумуляторных батарей.

Электрическая схема электровоза обеспечивает управление тяговым электроприводом, вспомогательным электрооборудованием и выполняет следующие функции: плавный разгон и изменение скорости электровоза и ее стабилизации в пределах от минимальной до допустимой; реверсирование тяговых двигателей и электродинамическое торможение; автоматическое ограничение тока тяговых двигателей при их пуске, регулировании скорости; управление двигателем компрессора в функции давления воздуха в пневмосистеме; контроль температуры тяговых двигателей; защита электрооборудования от токов короткого замыкания; питание стабилизированным напряжением 24 В вспомогательного электрооборудования от аккумуляторной батареи при кратковременном отключении токоприемника от троллейного провода; управление токоприемником, песочницами, автосцепками и стрелочными переводами из кабины машиниста; блокировка рабочего места машиниста с отключением тяговых двигателей и др.

На электровозах применяют тяговые двигатели постоянного тока последовательного возбуждения, которые по сравнению с двигателями параллельного возбуждения обладают рядом преимуществ: большие перегрузочная способность и пусковой момент, меньшая чувствительность к колебаниям напряжения и др.

Основные параметры тягового двигателя можно определить по его электромеханической характеристике (рис. 10.7), представляющей собой зависимость силы тяги F на ободе ведущих колес (взамен вращающего момента на валу двигателя), скорости движения электровоза v (взамен частоты вращения вала двигателя) и КПД η от тока двигателя 1.

Рис. 10.7. Электромеханическая характеристика тягового двигателя электровоза К14М

За номинальный режим работы тяговых двигателей принимают часовой режим, при котором допустимая температура нагрева обмоток двигателя достигается через 1 ч его работы. В характеристике двигателя указывают часовую силу тяги F_час, часовую скорость ν_час и часовой ток I_час Длительному режиму соответствует такой ток I_дл, при котором допустимая температура обмоток двигателя достигается за неограниченно длительное время. Отношение I_дл/I_час = 0,4÷0,45 называется коэффициентом вентиляции.

Применяются три системы управления тяговыми двигателями электровоза — реостатная, безреостатная и тиристорно-импульсная.

В аккумуляторных электровозах используется безреостатная схема управления, основанная на принципе параллельного или последовательного включения равного числа элементов аккумуляторной батареи. Соответствующей комбинацией включения секций аккумуляторной батареи и тяговых электродвигателей обеспечивают напряжение на электродвигателях, составляющее 25, 50 или 100% от номинального. Например, при использовании аккумуляторной батареи из двух секций можно получить 5 безреостатных позиций (при реостатной системе — 2). При безреостатной системе управления (по сравнению с реостатной) снижаются потери энергии, однако сила сцепления колес электровоза с рельсами в период пуска реализуется неполностью.

В контактных электровозах КТ14 и КТ28 применена тиристорная система управления тяговыми двигателями, основанная на широтно-импульсной модуляции подводимого к электродвигателям напряжения. Эта система управления обладает рядом преимуществ: плавный пуск и регулирование скорости без потерь; повышение пускового тягового усилия, которое ограничивается только предельным значением коэффициента сцепления колес электровоза с рельсами; повышение надежности электрооборудования за счет устранения контактной коммутационной и пускорегулирующей аппаратуры. Разгон, замедление и стабилизация скорости движения электровоза осуществляются автоматически.

В контактных электровозах КТ14 и КТ28 тяговые двигатели имеют повышенную длительную мощность и принудительную вентиляцию. Для этих электровозов разработана аппаратура автоматического управления с тиристорным регулятором, обеспечивающая: бесступенчатое задание скорости электровоза и ее стабилизацию в пределах от минимальной (0,6 м/с) до допустимой по технической характеристике (8 м/с); автоматическое ограничение тока тяговых двигателей при их пуске, регулировании скорости, перегрузках и торможении; блокировку движения электровоза при одновременном управлении из двух кабин; выдачу сигналов на управление электромагнитными рельсовыми тормозами и стрелочными переводами.

Система управления двумя спаренными электровозами (КТ28) на базе тиристорных преобразователей обеспечивает: управление электровозом одним машинистом из кабины ведущего электровоза; независимую работу двигателей в двигательном и тормозном режимах; независимое регулирование двигателей для перераспределения тяговых усилий с целью предотвращения буксования и улучшения тяговых и тормозных характеристик.

Съем тока с контактного провода осуществляется дуговыми токоприемниками (реже — штанговыми) с алюминиевыми контактными вставками, позволяющими уменьшить износ контактного провода. При наличии на электровозе одного токоприемника возникает искрение вследствие отрыва пути от провода при ударах на стыках рельсов. На современных конструкциях контактных электровозов устанавливают два токоприемника, независимо поджимаемые к проводу пружинами и позволяющие уменьшить искрообразование, так как в случае нарушения взаимодействия одной из дуг с контактным проводом ток поступает по другой дуге, что исключает полный разрыв электрической цепи.

Источниками энергии для аккумуляторных электровозов являются тяговые щелочные никель-железные (ТНЖ и ТНЖШ) и никель-кадмиевые (ТНК) шахтные аккумуляторные батареи. Щелочные аккумуляторы по сравнению с кислотными свинцовыми аккумуляторами имеют больший срок службы, большие механическую прочность и выносливость в работе, просты в обслуживании и способны находиться длительное время в разряженном состоянии. Изготавливают батареи различной емкости типа 66ТНЖШ-350-У5, 112ТНЖШ-500-У5 и т. д. Условное обозначение аккумуляторной батареи расшифровывается следующим образом: цифры перед буквами — число последовательно соединенных элементов в батарее, после букв — номинальная емкость в ампер-часах; ТНЖШ — тип батареи (тяговая никель-железная шахтная); У — климатическое исполнение (для работы при температуре окружающей среды от —20 до +45 °С); 5 — категория климатического исполнения. Стандартные емкости аккумуляторных батарей — 300, 350, 500 и 550 А·ч.

Аккумуляторы монтируют в батарейных ящиках и соединяют между собой последовательно. Батарейный ящик сверху закрывают плотной крышкой, имеющей блокировку, которая позволяет открывать крышку только при снятой с электровоза батареи.

В батарейных ящиках во взрывобезопасном исполнении (РВ) для окисления выделяющегося из аккумуляторов водорода устанавливают катализаторы, состоящие из набора палладиевых элементов, а также щелевые пакеты, предназначенные для разгрузки ящика от внутреннего давления в случае возникновения взрыва внутри ящика и обеспечения вентиляции надэлементного пространства батареи. Изменение концентрации водорода регистрируется автоматическим газоанализатором в диапазоне от 0 до 6% и фиксируется на световом табло в кабине машиниста.