Электропитание
Транспортные средства на электрической тяге не имеют собственного источника энергии. Двигатели этих транспортных средств питаются током, вырабатываемым на стационарных электростанциях, а затем передаваемым к транспортным средствам по линиям электропередачи, подстанциям и тяговым проводам. Энергосистемы можно разделить по виду тока, напряжению, количеству фаз, частоте.
К наиболее распространенным относятся:
1) система постоянного тока. Рабочее напряжение варьируется от 500 В до 3 кВ, при этом низкое напряжение используется для электрификации коротких участков. В общем случае в энергосистеме используются два напряжения: 600 В (трамвайные сети и сети WKD) и 3 кВ (железнодорожная сеть). Система постоянного тока была первой системой электрификации железных дорог. В основном это связано с тем, что не было генератора переменного тока. Преимущество этой системы в том, что локомотивы не нужно оснащать выпрямителями, что снижает их стоимость. Огромным недостатком является сложность выпрямления высоких напряжений и больших токов, что требует больших сечений катенарных линий, а также меньших расстояний между подстанциями. Все это приводит к переходу от систем постоянного тока к другим системам электропитания, особенно по мере того, как развитие полупроводниковой технологии снижает стоимость преобразователей.
2) Системы переменного тока с пониженной частотой. Неадекватность двигателей переменного тока промышленной частоты привела к электрификации переменным током пониженной частоты (до 16 2/3 Гц). Это серьезно усложняет вопросы электроснабжения, поскольку требуется строительство отдельных электростанций или использование преобразователей частоты. Основным преимуществом этой системы было отсутствие необходимости выпрямления тока, что позволило значительно повысить напряжение, что, в свою очередь, дало возможность использовать сеть с меньшим сечением и менее часто расположенными подстанциями. Кроме того, запуск локомотивов, работающих на этом типе тока, был более экономичным. Развитие полупроводниковой технологии сделало экономически нецелесообразным строительство сетей с таким питанием.
3) Системы переменного тока промышленной частоты. Сеть питается непосредственно от национальной сети через обычные трансформаторные подстанции. Это позволяет использовать произвольно высокие напряжения (обычно 25 кВ). Кроме того, запуск двигателей на таких машинах проще и экономичнее. Основным недостатком этой системы является значительное воздействие на телекоммуникационное оборудование и оборудование безопасности дорожного движения, что требует применения защитных устройств. Это самая современная система электрификации железных дорог.
Железнодорожные власти обычно электрифицируют всю сеть одной системой, но если на сети возникает точка, где встречаются разные системы (сюда относятся пограничные станции), строятся так называемые контактные станции (которые позволяют изменять напряжение сети) или используются двух- или многосистемные транспортные средства, реже дизельные. Развитие полупроводниковых технологий облегчает создание многосистемных автомобилей, что уменьшает проблемы при смене систем электрификации.
Двигатели потребляют очень большой ток при подаче напряжения, который уменьшается по мере увеличения скорости вращения ротора. Для ограничения этого воздействия тока, а также для обеспечения сцепления автомобиля с трассой и плавного старта используются системы запуска. Система запуска, используемая на транспортном средстве (рудничный контактный электровоз), тесно связана с системой электрификации (например, система постоянного тока не позволяет использовать отводной трансформатор) и используемым двигателем (например, асинхронный двигатель требует использования инвертора). Наиболее распространенными пусковыми системами являются резистивные, тиристорные, импульсные и отводные трансформаторы:
Резистивный пуск. Работа этой системы основана на выключении из цепи последовательных резисторов, соединенных последовательно с двигателем или группой двигателей. Резисторы ограничивают ток и, следовательно, скорость двигателя. Контроль этого типа запуска может быть:
- (a)прямой – в этой системе приводной регулятор напрямую подключен к токоприемникам, включает и выключает резисторы и переключает полюса двигателя. При прямом управлении через регулятор проходит весь ток двигателей, что делает работу такого регулятора опасной при высоких напряжениях, а сам регулятор очень большим. Прямое управление чаще используется на общественном транспорте и промышленных локомотивах с рабочим напряжением до 800 В.
- b)косвенное управление – в этой системе все изменения в главной цепи осуществляются с помощью контакторов, на которые подается низкое напряжение (обычно 24 В или 110 В). Работа контакторов контролируется лужским валом, приводимым в действие регулятором в кабине (несамостоятельная система) или самозапускающимся реле (самостоятельная система). Преимуществом этой системы является безопасность работы оператора и возможность многократного управления (с помощью низкого напряжения, подаваемого на объединенные цепи управления, которое производит идентичные изменения в главных цепях локомотивов или агрегатов), но недостатком является опасность отказа контакторов и дороговизна этих аппаратов.
В последние годы были предприняты попытки использовать компьютеры для управления контакторами, но практика показывает, что в настоящее время это решение не работает.
Независимо от используемого управления, резистивный пуск характеризуется значительными потерями мощности при запуске, но нечувствителен к колебаниям напряжения в сети. В настоящее время от этой системы отказываются в пользу систем с меньшими потерями.
Импульсный пуск – предполагает использование тиристоров или силовых транзисторов для прерывания тока питания двигателя. Это изменяет средний ток, протекающий через двигатель, и, следовательно, скорость двигателя. Тиристоры включаются компьютером, управляемым контроллером. Такой тип запуска обеспечивает большое удобство для водителя – ему не нужно следить за амперметрами или отслеживать колебания скорости, поскольку компьютер автоматически регулирует ток в соответствии с заданной мощностью или скоростью. Такая система запуска также позволяет тормозить двигатели. Еще одним преимуществом является низкая потеря мощности, недостатком – цена оборудования и его чувствительность к колебаниям напряжения.
Система запуска на базе инвертора. Инвертор – это устройство, преобразующее постоянный ток (если источник питания выдает переменное напряжение, оно сначала выпрямляется) в переменный ток переменной частоты. Не вдаваясь в подробности конструкции двигателя, скажем лишь, что скорость этого типа двигателя зависит от частоты. Преимуществами этой системы являются возможность достижения произвольно высоких скоростей (зависящих только от типа инвертора и двигателей), низкие потери мощности, высокий комфорт управления (все управление осуществляется с помощью нескольких контроллеров), плавный пуск и торможение, а также возможность возврата тока в сеть. Огромным недостатком является невозможность ремонта инвертора в условиях локомотивного депо (практически каждый отказ вынуждает производить его замену или ремонт квалифицированным персоналом) и значительная чувствительность к изменениям напряжения.
3 Вспомогательное оборудование
Вспомогательные машины в транспортных средствах на электрической тяге – это в основном инверторы и различные типы двигателей.
1) Инвертор – это устройство для преобразования постоянного тока (в другое значение постоянного или переменного тока). В основном используются два типа инверторов:
- (a)электромеханический (вращающийся) – он состоит из двух машин, соединенных общим валом: двигателя постоянного тока и генератора. На двигатель подается напряжение непосредственно из сети (высокое напряжение), а генератор, приводимый в действие двигателем, вырабатывает постоянное напряжение, обычно 24 В или 110 В, или переменное напряжение 220 В и частотой 500 Гц (осветительные инверторы). В дополнение к двигателю и генератору переменного тока на валу часто устанавливается охлаждающий вентилятор для охлаждения машины; в некоторых транспортных средствах он также служит в качестве вспомогательного охлаждающего вентилятора для тяговых двигателей. Недостатками роторных преобразователей являются относительно низкий КПД и шумная работа (особенно в легковых автомобилях), преимуществом – простота конструкции. В настоящее время роторные преобразователи заменяются статическими.
- b)Инвертор с переключаемым режимом (статический) – это преобразовательная система, которая преобразует напряжение без использования вращающихся механизмов. Его преимущество – очень тихая работа, но на высоких частотах (инверторы освещения) работа становится слышимой (характерный неприятный писк).
Напряжение, получаемое с помощью инверторов, используется для управления и освещения тяговых средств, а также для питания маломощных двигателей.
4. Электрические аппараты в тяговых транспортных средствах
Аппараты в тяговых транспортных средствах можно разделить по выполняемым функциям на: коммутация, управление, защита, сигнализация и измерение. Наиболее важными аппаратами являются:
1) токоприемники – их функция заключается в обеспечении электрического соединения катенарных и высоковольтных цепей. Тяговые машины обычно имеют два токоприемника, причем один из них используется (в зависимости от направления движения), а другой является резервным.
2) Выключатели – служат для замыкания и размыкания электрических цепей. Их конструкция, номинальный ток и напряжение, а также привод зависят от их назначения.
3) автоматические выключатели – это выключатели, которые могут прервать цепь с током, превышающим номинальный ток защищаемого оборудования. Автоматические выключатели делятся на быстродействующие и небыстродействующие. Высокоскоростные автоматические выключатели используются в локомотивах для защиты цепи от протекания сверхтока, который может возникнуть из-за перегрузки или короткого замыкания. Функция быстродействующего автоматического выключателя заключается в отключении главной цепи от сети по замыслу водителя или самопроизвольно в результате срабатывания сопутствующего аппарата (реле сверхтока) или его отключающего элемента. В быстродействующих выключателях EZT автоматические выключатели не используются, роль защиты выполняют резервные реле, которые работают с линейными контакторами.
4) резисторы – используются для запуска (резистивный запуск) и ограничения тока в тех цепях, где это необходимо. Резисторы делятся на две группы: для больших нагрузок (до 250А) и малых нагрузок (до 30А). Резисторы изготавливаются в виде листов из высокоомных материалов или в виде проволоки, намотанной на фарфоровую трубку.
5) молниеотводы – назначение молниеотводов заключается в защите от воздействия молний и перенапряжений. Используются рупорные, конденсаторные и магнитно-клапанные молниеотводы
6) электропневматические клапаны – они управляют потоком воздуха. Они состоят из головки с поршнями или шариками для открытия и закрытия каналов потока сжатого воздуха, а также катушки и якоря.
7) контрольно-измерительные приборы – они служат для контроля работы оборудования. Они расположены на панели управления таким образом, что позволяют непрерывно контролировать их показания. Наиболее важными измерительными приборами являются: вольтметры (для измерения напряжения сети и напряжения инвертора и батареи), амперметры (для измерения тока отдельных групп двигателей, а также цепи инвертора) и манометры для определения давления воздуха в отдельных компонентах тормозного контура. Помимо вышеупомянутых приборов, для предоставления информации о рабочем состоянии отдельных цепей и индикации неисправностей используются другие индикаторы, обычно в виде ламп.
5. аккумуляторные батареи
Это дополнительный источник электроэнергии в транспортных средствах с электроприводом. Его назначение – питание цепей управления и аварийного освещения в случае сбоя в электросети или отказа инвертора. Они также используются для питания цепи так называемого малого компрессора – устройства, используемого для сжатия воздуха, когда его давление слишком мало для подъема пантографа (после длительной остановки и т.д.).
Рейтинг
статьи