Перегруппировка двигателей. Групповые переключатели

Чтобы увеличивать скорость движения, нужно продолжать повышать напряжение, подводимое к двигателям. Для этого двигатели соединяют последовательно-параллельно (т. е. образуют две параллельные цепи по четыре двигателя в каждой на восьмиосных электровозах или по три на шестиосных), а затем параллельно.

Регулирование напряжения, подводимого к двигателям, и тем самым частоты их вращения переключением с одного соединения на другое позволяет получить на каждом двигателе три значения напряжения при выведенном реостате:

Буквы в скобках - это условные обозначения соединения двигателей. В период эксплуатации первых электровозов вместо термина "последовательное соединение" использовали "сериесное соединение", отсюда буквы С в обозначениях.

Строго говоря, высшее (по напряжению) соединение двигателей не является чисто параллельным, так как в каждую ветвь включено последовательно два двигателя.

Переключение тяговых двигателей с одного соединения на другое называют переходом. Наиболее просто переход можно осуществить следующим образом: отключить тяговые двигатели от контактной сети, произвести необходимые переключения (перегруппировку двигателей) и снова подключить их к контактной сети. Но при этом сила тяги сначала снизится до нуля, а затем при включении тяговых двигателей по новой схеме возникнет ее бросок. Поэтому такой переход на магистральных электровозах не применяют. Переходы с одного соединения тяговых двигателей на другое осуществляют коротким замыканием части двигателей, параллельным подключением к переключаемым двигателям резисторов, по схеме моста. При всех перечисленных способах во время перехода теряется только часть силы тяги.

При переходе коротким замыканием в обмотках якоря двигателей продолжает индуктироваться э. д. с. вследствие остаточного магнетизма и двигатели начинают работать в генераторном режиме, создавая тормозной момент. Поэтому на современных восьмиосных электровозах переход с последовательного на последовательно-параллельное соединение осуществляют замыканием части двигателей секциями пускового реостата, благодаря чему снижается генераторный ток (тормозящий момент). На новых электровозах ВЛ11 в цепь отключенных двигателей вместо резисторов включены полупроводниковые диоды - приборы с односторонней электрической проводимостью, что обеспечивает запирание цепи для генераторного тока.

Операции перехода осуществляют с помощью аппаратов, называемых групповыми переключателями. Групповые переключатели называют еще групповыми контакторами, или кулачковыми переключателями. В них имеется один общий привод для нескольких контакторов. Собирают групповые переключатели из поставленных в ряд контакторов - контакторных элементов. Контакторные элементы такого типа называют механическими, или кулачковыми, так как включение или отключение их осуществляется механическим воздействием кулачкового вала переключателя.

В отличие от индивидуальных контакторов групповые используют в цепях, где необходимо производить цикл переключений в определенной последовательности, в том числе и для переключений двигателей с одного соединения на другое.

На восьмиосных электровозах для перехода с последовательного соединения на последовательно-параллельное замыканием четырех тяговых двигателей на секции пускового реостата применены групповые переключатели, имеющие четыре контакторных элемента, установленных на раме, вал с четырьмя кулачками (по числу контакторных элементов), пневматический привод и блокировочное устройство. Кулачки (рис. 37, а) имеют выступы и впадины. Выступы кулачков при повороте вала набегают на ролики подвижных контактов, что приводит к замыканию контактов контакторных элементов; впадины позволяют контактам размыкаться.

Рис. 37. Контакторный элемент (а) и пневматический привод группового переключателя восьмиосного электровоза (б)

Последовательность замыкания и размыкания контактов группового переключателя определяется очертанием кулачков и взаимным их расположением на валу. Пневматический привод (рис. 37, б) включает в себя цилиндр, два поршня, соединенных зубчатой рейкой, два электромагнитных вентиля B1, B2 и воздухопроводы, подводящие к приводу сжатый воздух. Подачей сжатого воздуха управляют с помощью электропневматических вентилей. Вентиль В2 включающего типа, В1 - выключающего. Выключающий вентиль отличается от включающего (см. рис. 30, б) только расположением клапанов. При обесточенной катушке выключающий вентиль открывает доступ сжатому воздуху в полость цилиндра. Если же возбудить катушку, то полость цилиндра через вентиль сообщится с атмосферой.

Привод группового переключателя имеет два фиксированных положения. Одно из них он занимает, когда катушки вентилей обесточены. Тогда сжатый воздух поступает в левую полость цилиндра и поршни перемещаются в крайнее правое положение. В другом положении привод находится, когда катушки обоих вентилей возбуждены. В этом случае левая полость цилиндра сообщается с атмосферой, а правая с источником сжатого воздуха. Вместе с поршнями перемещается зубчатая рейка, вращающая зубчатое колесо и кулачковый вал против часовой или по часовой стрелке. Контакторные элементы, контакты которых включены в силовую цепь, производят соответствующие переключения, необходимые для перехода с последовательного на последовательно-параллельное соединение тяговых двигателей.

Перед тем, как начать перегруппировку двигателей, включают в их цепь секции Р1 и Р2 пускового реостата, разомкнув контакты индивидуальных контакторов 1 и 2 (рис. 38, а). Это необходимо в связи с тем, что после отключения четырех двигателей из восьми, включенных последовательно, сопротивление обмоток двигателей и сумма э. д. с. в обмотках якорей уменьшится в 2 раза, что вызовет резкий бросок тока и срабатывание защиты. Кроме того, необходимо подготовить включение резистора Р2 для уменьшения тока, генерируемого двигателями V-VIII, после отключения этих двигателей от контактной сети. Поэтому резистор Р2 включен между тяговыми двигателями IV и V.

Рис. 38. Схемы перехода с последовательного соединения тяговых двигателей на последовательно-параллельное

Затем включаются обмотки катушки вентилей В1 и В2 группового переключателя (см. рис. 37, б). Поршень, перемещаясь справа налево, поворачивает вместе с зубчатым колесом кулачковый вал привода по часовой стрелке. Выступы и впадины кулачков расположены так, что сначала включаются контакты контакторного элемента 3 (рис. 38, б)^*. Вследствие этого двигатели V-VIII замыкаются на резистор Р2.

^* (Для того чтобы отличать на силовых, схемах электровозов постоянного тока обозначение контактов индивидуальных контакторов, от групповых, условились изображение последних вписывать в окружность, что стандартами ЕСКД не предусмотрено.)

При дальнейшем повороте кулачкового вала выключается контакторный элемент 4, в результате чего остаются подключенными к контактной сети тяговые двигатели I-IV вместе с резистором Р1, а двигатели V-VIII отключаются от нее (рис. 38, в). Затем включается контактор 5 группового переключателя, тяговые двигатели V-VIII подключаются параллельно двигателям I-IV и к контактной сети (рис. 38, г).

Переход завершается включением индивидуального контактора 6, соединяющего параллельно резисторы Р1 и Р2 (рис. 38, д). Это позволяет включить общий реостат Р1 и Р2 в две параллельные цепи тяговых двигателей. Затем, осуществляя различные соединения секций реостата с помощью индивидуальных контакторов, постепенно уменьшают его сопротивление до нуля.

Переход на параллельное соединение двигателей в принципе не отличается от перехода на последовательно-параллельное, только теперь к двум парам тяговых двигателей раздельно подключаются параллельно секции пускового реостата. Переход осуществляется на восьмиосных электровозах двумя групповыми переключателями. Устройство и действие их такие же, как и у описанного выше. Разница заключается лишь в том, что вместо четырех каждый из них имеет по шесть контакторов.

На отечественных шестиосных электровозах используют один групповой переключатель (вместо трех у восьмиосных), осуществляющий в наперед заданной последовательности переключение двигателей с одного соединения на другое. Конструкция таких переключателей более сложная, так как у них уже не один, а два цилиндра с поршнями соединены зубчатой рейкой или двумя рейками, которые зубчатым колесом поворачивают кулачковый вал. Вал фиксируется в трех положениях в соответствии с тремя группами соединения двигателей.

На восьмиосных электровозах ВЛ11 предусмотрена возможность работы одной секции. Здесь переход с последовательного соединения четырех двигателей на параллельное (по два в каждом плече) осуществляют способом моста.

Такой же способ перехода применен на четырехосных электровозах серий ЧС1 и ЧС3. При мостовом переходе (рис. 39) нужно иметь два резистора с равными сопротивлениями. Бели выводы резисторов включить накрест к точкам а и б (участок а-б называют мостом), то ток не пойдет через контактор К и его можно отключить, не разрывая цепи тока.

Рис. 39. Переход с последовательного соединения тяговых двигателей на параллельное способом моста

После отключения контактора двигатели соединены параллельно, но ток, проходящий по их обмоткам, остался прежним, так как в цепи каждого двигателя включен резистор. Следовательно, сила тяги электровоза при этом не изменится. Выводя постепенно секции резисторов r, переходят на автоматическую характеристику параллельного соединения. Равенство токов в резисторах и двигателях при их параллельное включении может быть только при строго определенной скорости и определенном напряжении в контактной сети. В других случаях ток в мосте а-б не будет равен нулю.

На новом опытном электровозе ВЛ11, который преимущественно будет работать в составе трех секций, предусмотрено три соединения двигателей: последовательное, последовательно-параллельное и параллельное. На последовательном соединении тяговые двигатели трех секций соединены последовательно (на каждый двигатель приходится 250 В). В случае четырех секций включаются последовательно тяговые двигатели двух секций. На последовательно-параллельном соединении четыре тяговых двигателя каждой секции соединены последовательно; на параллельном соединении - параллельно, по два двигателя в каждой секции.

Для обратного перехода с параллельного соединения на последовательно-параллельное и, наконец, на последовательное, что необходимо в случае уменьшения скорости поезда, прекращают в определенной последовательности питание катушек группы переключателей. Кулачковые валы под воздействием перемещающихся поршней поворачиваются в противоположном направлении, производя соответствующие переключения.

Следовательно, используя различные группировки двигателей, можно получить большее число ходовых характеристик. Еще одно преимущество применения группировок заключается в уменьшении потерь энергии в пусковом реостате. Так, при трехступенчатом пуске восьмиосного электровоза потери энергии в реостате примерно в 2,7 раза меньше по сравнению с теми, которые были бы, если бы пуск с выходом на параллельное соединение осуществлялся одной ступенью. Какое же из этих преимуществ явилось основной причиной применения нескольких группировок двигателей? Можно смело утверждать, что в основном промежуточные группировки тяговых двигателей применяют, стремясь не к экономии энергии, что, конечно, немаловажно, а к увеличению гибкости эксплуатации. Однако и трех ходовых скоростей для обеспечения экономной работы локомотива, безусловно, мало. Что еще можно сделать для расширения диапазона скоростей?