6. Опытные электровозы - прототипы локомотивов будущего

Независимое возбуждение тяговых двигателей

В главе 3 было отмечено, что мягкой характеристикой обладают коллекторные двигатели постоянного тока. Поэтому их в подавляющем большинстве случаев используют на электровозах постоянного и переменного тока. Сказанное относится и к тепловозам с электрической передачей. Однако локомотивы с такими двигателями и, в особенности, электровозы постоянного тока, как уже было отмечено выше, склонны к боксованию, причем боксование возникает чаще всего, когда все шесть или восемь тяговых двигателей соединены последовательно. Объясняется это следующим.

В процессе движения электровоза с составом не исключена возможность того, что по каким-либо причинам уменьшится нагрузка на колесную пару от веса электровоза или колеса будут катиться по загрязненной поверхности рельсов. В обоих случаях физический коэффициент сцепления уменьшится. Если сила тяги, реализуемая колесной парой, превысит уменьшившуюся силу сцепления, колесная пара начнет проскальзывать относительно рельсов, т. е. начнется процесс боксования. Вследствие мягкой характеристики тягового двигателя даже небольшое проскальзывание колесной пары вызовет незначительное снижение силы тяги и интенсивное увеличение частоты ее вращения (см. рис. 12, б). Это в свою очередь значительно снижает физический коэффициент сцепления и тяговые двигатели вместе с колесной парой переходят в режим "разносного" боксования. В таком режиме частота вращения двигателя может превысить максимальную, гарантированную заводом, что может привести к возникновению кругового огня на коллекторе, нарушению его геометрической формы, разрыву бандажей якоря, повышенному износу бандажей колес и рельсов.

Одновременно ухудшатся и условия работы остальных тяговых двигателей, электрически связанных с двигателем боксующей колесной пары. Как уже отмечалось, при последовательном соединении, двигателей, например восьмиосного электровоза, с выключенным пусковым резистором на каждый двигатель приходится ¹/₈ напряжения контактной сети, или 375 В. Возникшее боксование нарушит равномерное распределение напряжения. Допустим, что частота вращения якоря возросла в 2 раза; соответственно примерно в 2 раза возрастет э. д. с. боксующего двигателя и напряжение, приходящееся на него, станет равным примерно 750 В, а на остальных семи - понизится до 320 В. Кроме того, снизится ток в цепи всех тяговых двигателей. В результате снижения напряжения у семи двигателей и тока в цепи всех двигателей уменьшается скорость движения поезда и развиваемая сила тяги электровоза, т. е. нарушится нормальный процесс движения.

Последующее восстановление прежних условий сцепления (увеличится нагрузка на колесную пару, электровоз минует загрязненный участок рельсов) не прекратит начавшегося боксования, так как мал физический коэффициент сцепления при большой скорости боксования. Чтобы прекратить боксование, машинист должен уменьшить силу тяги электровоза, например, переключив двигатели на нормальное возбуждение, либо включив секции пускового реостата. Все эти действия связаны с потерями силы тяги, скорости, дополнительным расходом электроэнергии и задержкой следования поезда.

Значительно увеличивается вероятность автоматического сцепления после его срыва, если тяговый двигатель имеет жесткую характеристику (см. рис. 12, а). В этом случае даже небольшое увеличение частоты вращения якоря двигателя у колесной пары, начавшей боксовать, вызывает резкое снижение силы тяги, и скорость проскальзывания колес почти не возрастает. Как только восстановятся нарушенные по каким-либо причинам условия сцепления, боксование колесной пары прекратится.

Использование жестких характеристик имеет еще одно немаловажное преимущество. Выше уже было отмечено, что электровоз имеет семейство тяговых характеристик (так, для электровоза ВЛ10 их число равно 15, см. рис. 41). Применив независимое возбуждение, можно получить большее число зависимостей силы тяги от скорости в пределах, допустимых по сцеплению, току и скорости движения, плавно изменяя силу тока возбуждения с помощью полупроводниковых преобразователей. Примерно то же можно обеспечить при смешанном возбуждении двигателей (последовательное и независимое), изменяя соотношение токов независимого и последовательного возбуждения.

Применение независимого или смешанного возбуждения на электровозах постоянного тока связано с рядом трудностей. Прежде всего необходим специальный преобразователь для питания обмоток независимого возбуждения. Применить вращающийся преобразователь невозможно, так как он должен иметь большую мощность, а значит, и большие габариты. Использовать установленные на электровозе генераторы, предназначенные для рекуперативного торможения, нельзя, так как их мощность недостаточна. Целесообразно применять полупроводниковые преобразователи. Но на электровозах постоянного тока они пока получаются очень сложными, так как необходимо сначала преобразовать постоянный ток в переменный, затем понизить напряжение, выпрямить его и регулировать напряжение, подводимое к обмоткам возбуждения тяговых двигателей, с помощью тиристоров.

Кроме того, как уже отмечалось, напряжение в контактной сети может резко изменяться, что будет вызывать большие броски тока в обмотках возбуждения, а значит, и резкие изменения силы тяги со всеми вытекающими отсюда неприятными последствиями. Для ограничения бросков тока необходимо устанавливать специальные устройства.

Однако, несмотря на эти трудности, Новочеркасский электровозостроительный завод создал опытные электровозы ВЛ12 с независимым возбуждением двигателей в тяговом и рекуперативном режимах и автоматическим регулированием сил тяги и торможения. Каждые две обмотки возбуждения двух тяговых двигателей, включенных постоянно последовательно, питаются от статического преобразователя, преобразующего постоянное напряжение контактной сети в переменное частотой 200 Гц, и управляемого выпрямителя, с помощью которого плавно регулируется ток в обмотках возбуждения, а следовательно, силы тяги и электрического торможения. Это позволило в режимах тяги и рекуперативного торможения использовать только два соединения тяговых двигателей: последовательное включение четырех двигателей одной секции и параллельное включение двух ветвей по две машины последовательно в каждой. Переход с одного соединения на другое происходит по мостовой схеме.

Более благоприятные условия для использования преимуществ независимого возбуждения сложились на электровозах переменного тока. На этих электровозах преобразователь ПНВ напряжения, подводимого к обмоткам независимого возбуждения (рис. 70), питается от секции вторичной обмотки тягового трансформатора. Он выполнен по схеме двухполупериодного выпрямления с нулевым выводом (см. рис. 62, а).

Рис. 70. Упрощенная схема силовой цепи шестиосного электровоза с независимым возбуждением

Двигатели электровоза могут работать с последовательным возбуждением и с независимым (см. рис. 70). Переключение обмоток с последовательного возбуждения на независимое и наоборот осуществляется двухпозиционными переключателями ПВ1 и ПВ2.

С переходом на независимое возбуждение контакторы переключателей отключают от цепи якорей обмотки возбуждения OBI-ОВVI (на рис. 70 для упрощения схемы показаны только тяговые двигатели I и VI), соединяют их последовательно и подключают к тиристорному преобразователю ПНВ, а затем замыкают цепи якорей тяговых двигателей. На рис. 70 положение контакторов ПВI - ПВVI соответствует включению независимого возбуждения.

Для уменьшения пульсаций тока, проходящего через обмотки независимого возбуждения, к ним постоянно подключены параллельно резисторы Р, как и при последовательном возбуждении.

На электровозах переменного тока резкие колебания напряжения в контактной сети в достаточной степени сглаживаются благодаря индуктивности обмоток тяговых трансформаторов, реакторов, дросселей и дополнительных устройств для этого не требуется.

Тяговые двигатели переменного тока всегда соединены параллельно и поэтому исключаются неприятности, вызываемые боксованием одной или тем более нескольких колесных пар, обусловленные их последовательным соединением. Однако и при параллельно соединенных тяговых двигателях может возникнуть боксование какой-либо колесной пары. В этом случае ток двигателя боксующей колесной пары уменьшается вследствие возрастания в обмотке якоря э. д. с. В связи с этим повышается напряжение на выпрямительной установке и на всех остальных тяговых двигателях, поэтому ток их несколько возрастает, а следовательно, возрастает и сила тяги. В результате компенсируется потеря силы тяги колесной пары, у которой нарушено сцепление.

При независимом возбуждении снижается скольжение боксующей колесной пары (по сравнению с последовательным возбуждением) и тем самым обеспечивается меньшая потеря силы тяги, более интенсивное увеличение напряжения, а следовательно, тока и силы тяги небоксующих колесных пар. Благодаря этому общая сила тяги электровоза снижается в значительно меньшей степени, чем при последовательном возбуждении двигателей.

В соответствии с описанной схемой, предложенной работниками Восточно-Сибирской железной дороги, было переоборудовано несколько сотен шестиосных электровозов ВЛ60^К на этой магистрали и затем на Одесско-Кишиневской дороге.

Опыт эксплуатации модернизированных электровозов ВЛ60^К показал, что для максимального использования мощности тяговых двигателей целесообразно сочетать оба способа возбуждения: последовательное при относительно небольших нагрузках, используя положительные свойства мягкой характеристики, и независимое при реализации силы тяги, близкой к ограничению по сцеплению, если этому не препятствует ограничение по нагреванию обмоток двигателей. Применение независимого возбуждения позволило, например, на Одесско-Кишиневской дороге увеличить массу поезда на 400 т.

Однако при независимом возбуждении наблюдается повышенная неравномерность нагрузок тяговых двигателей. В настоящее время проводятся исследования различных схем, устраняющих это.