Рис. 3. Схемы соединения тяговых двигателей
(а - последовательная; б - параллельная; г - импульсная регулирования частоты вращения;
д - импульсная управления электродинамическим торможением) и диаграмма скорости (в)
сблокированы так, что перевод реверсивной рукоятки из положения ’’Вперед” в положение ’’Назад” или наоборот возможен только при нулевом положении главной рукоятки. При реостатной системе управления сила сцепления колес электровоза с рельсами во время пуска используется неполностью.
Управление с секционированием тяговой батареи — это комбинированный метод пуска и регулирования скорости движения путем изменения группировки секций тяговой батареи и тяговых двигателей. В качестве коммутационных элементов применены силовые полупроводниковые диоды, позволяющие при неизменном числе силовых контактов обеспечить все необходимые режимы.
Соответствующей комбинацией включения секций аккумуляторной батареи и тяговых двигателей можно получить напряжение на электродвигателях 25, 50 и 100% номинального.
При безреостатной схеме управления тяговыми двигателями снижаются потери напряжения, но, как и при реостатной схеме, недоиспользуется сила сцепления колес электровоза с рельсами во время пуска.
В реостатной системе управления имеется добавочное сопротивление. При вводе его в цепь якоря на период пуска и торможения возникают потери энергии до 50%. Если учесть, что работа электровоза при этом происходит на пониженных скоростях (маневрирование, стесненность выработок, требование ПБ и др.), то можно сделать вывод, что такое регулирование скорости неэкономично. Контроллер имеет ограниченное число позиций и поэтому при переводе рукоятки из одного положения в другое наблюдаются броски тока и, следовательно, тягового усилия, что снижает надежность работы.
В связи с этим возникла необходимость создания экономичных и надежных систем с широким диапазоном плавного (бесступенчатого) регулирования скорости движения электровозов с использованием полупроводниковой техники. Бесступенчатое регулирование частоты вращения тяговых электродвигателей электровозов может быть осуществлено импульсным методом, т.е. поочередным включением или отключением тягового электродвигателя от источника напряжения или периодическим подключением или отключением резистора в якорной цепи двигателя. При подключении к источнику питания двигатель развивает силу тяги больше силы сопротивления и поэтому увеличивает частоту вращения, а в период отключения - снижает, так как сила тяги уменьшается. Средняя скорость движения электровоза при этом будет зависеть от продолжительности его ускоренного и замедленного движения. Поэтому частоту вращения тягового двигателя можно регулировать соответствующим изменением соотношения между продолжительностями ускоренного ty и замедленного t3 движений.
Регулирование частоты вращения двигателя возможно изменением пускового сопротивления, включенного в цепь якоря тягового двигателя, путем периодического подключения и отключения резистора.
Регулирование скорости по схеме (рис. 3, г) происходит следующим образом. В исходном состоянии тиристоры VS1 и VS2 закрыты, а конденсатор С не заряжен. В момент включения привода отпирающий импульс от устройства управления подается на управляющий электрод вспомогательного тиристора VS2, при открывании которого конденсатор С заряжается до напряжения источника питания (верхняя обкладка конденсатора приобретает положительный потенциал). После заряда конденсатора ток прекращается. Затем поочередно от системы управления подаются отпирающие импульсы на тиристоры VS1 и VS2. Когда подается отпирающий импульс на электрод основного тиристора К57,то тиристор открывается и подключает якорь тягового двигателя на полное напряжение источника питания. Ток через VS1 и якорь двигателя М проходит до тех пор, пока на VS2 не поступит отпирающий импульс от управляющего устройства. Одновременно с током якоря протекает ток перезаряда конденсатора по цепи C-h-VDl. По окончании перезарядки конденсатор С имеет положительный потенциал на нижней обкладке. При открывании тиристора VS2 ток разряда конденсатора С становится равным текущему значению тока нагрузки, и к основному тиристору VS1 прикладывается обратное напряжение, вызывающее его запирание. Верхняя обкладка конденсатора вновь приобретает положительный потенциал. В период, когда тиристор VS1 заперт, ток в якорной цепи тягового двигателя под действием э.д.с. самоиндукции протекает через шунтирующий диод VD2.
Электродинамическое торможение — второй способ регулирования частоты вращения электродвигателя путем периодического кратковременного изменения сопротивления цепи якоря (рис. 3, д). В тяговом режиме электровоза замкнуты контакты КМ1, КМ2, КМ4 (или КМЗ и КМ5) и разомкнут КМ6. При переходе из тягового режима в режим электродинамического торможения контакты КМ1 и КМ4 переключателя размыкаются, а контакты КМЗ, КМ5 замыкаются. При закрытом тиристоре VS1 ток якоря, создаваемый остаточной э.д.с. тягового двигателя, протекает через шунтирующий диод VD и резистор RT. Величина резистора ограничивает максимальное тяговое усилие. Для снижения угловой скорости тягового двигателя М от блока управления подается отпирающий импульс на основной тиристор VS1. Тиристор VS1 открывается и ток, проходя через диод VD3, шунтирующий резистор RT и диод VD, увеличивается. Это вызывает увеличение тормозного усилия. Затем открывается вспомогательный тиристор VS2 и тиристор VS1 закрывается разрядом конденсатора С. При этом к тиристору VS1 прикладывается обратное напряжение.
При импульсном электродинамическом торможении тормозное усилие, развиваемое тяговым двигателем, значительно выше, чем при резисторном. Это объясняется меньшим отклонением максимального значения тормозного усилия от минимального из-за плавного регулирования тока.
Следовательно, торможение электровоза при импульсном регулировании более эффективно, так как значение тормозного усилия приближается к допустимому по току двигателя и по условиям сцепления. Интенсивность электродинамического торможения определяется положением рукоятки на пульте управления.
Машинист управляет тиристорами через специальную систему управления, вырабатывающую импульсы на запуск и отключение тиристоров.
В настоящее время для управления электровозами разработана и внедряется схема бесконтактного питания тяговых электродвигателей, передача электрической энергии методом электромагнитной индукции токов высокой частоты.
Основной элемент импульсных систем регулирования — тиристор, который переключается из непроводящего состояния в проводящее под действием тока управляющего электрода.
Контроллер — основной аппарат в схеме реостатного управления электровозом. С его помощью осуществляются переключения на необходимые режимы работы тяговых двигателей. В настоящее время применяется лишь непосредственная система управления посредством силовых контроллеров с кулачковыми контактными элементами. Контактный механизм состоит из подвижного и неподвижного контактов и искрогасительной катушки. Контактные элементы располагаются на вертикальной стойке рядом с кулачковым валом (барабаном).
Контроллер состоит из главного и реверсивного валов, кулачковых элементов, закрепленных на рейке, стойки с контактными пальцами (для реверсивного барабана) и блокировочного механизма. При вращении рукоятки главного барабана кулачковые диски в определенной последовательности производят замыкания и размыкания контактных элементов и образуют требуемые соединения в электрических цепях.
Валы контроллера механически сблокированы так, что производить реверсирование тяговых двигателей и снятие реверсивной рукояти можно только при нейтральном положении главной рукояти.
Реверсивная рукоять съемная, имеет три позиции (вперед, нулевое, назад). Рукоять главного барабана закреплена. С помощью главного вала осуществляется последовательное и параллельное соединение двигателей, а также включение и выключение пусковых сопротивлений в каждом из соединений.
Пусковые сопротивления включаются в цепь тяговых двигателей для уменьшения пускового тока и плавного запуска электровоза.
Значение пускового тока ограничено условиями: сцепления; допустимого ускорения поезда и нагрева двигателя. Для тяговых двигателей с естественной вентиляцией средний пусковой ток принимают равным 80—100% часового тока.
Секции сопротивлений собирают из отдельных элементов - проволочных или ленточных. Широко для этих целей применяют фехралевые элементы из лент, намотанных на ребро. Это компактные и надежные в эксплуатации элементы.
Для защиты силовой цепи от коротких замыканий и при временных перегрузках применяют плавкие предохранители трубчатого типа, а также однополюсные максимальные выключатели (автоматы) типа АВ. Автомат состоит из неподвижного и подвижного контактов с ручным приводом и максимальной катушки, которая может быть отрегулирована на ток от 100 до 300 А.
На аккумуляторных электровозах устанавливают автоматические выключатели во взрывобезопасном исполнении APB-2122, АРВ-2123 и ВАР-4. Четырехполюсный автоматический выключатель типа ВАР, устанавливаемый на электровозах АРП10, АРГ114, АМ8Д и АРП7 обеспечивает возможность работы на электровозах с обычной и секционированными батареями.
Для освещения трассы движения в горных выработках на шахтных локомотивах устанавливают фары — по одной на торцевых сторонах локомотива.
На контактных локомотивах применяют фары ФЭ-52 с лампой накаливания 60 Вт при напряжении 127 В, на аккумуляторных электровозах — взрывобезопасные фары типов ФВУ и ФРЭ с лампой накаливания на напряжение 40 В.
Для подачи сигналов во время движения в кабине машиниста аккумуляторных локомотивов предусматривают одноударный механический звонок, состоящий из чашки, ударника и педали. Звонок приводится в действие нажимом левой ноги машиниста. На контактных электровозах устанавливают сирену на напряжение 220 В мощностью 60 Вт, которую включает машинист кнопкой.
Непрерывный съем электрического тока с контактного провода во время движения и последующую передачу электрической энергии на тяговые двигатели электровозов производят токоприемники. Шахтные электровозы, как правило, имеют дуговые токоприемники, в которых токоснимающей частью является дуга, закрепленная в стальной раме. Дуговой токоприемник представляет собой подвижную шарнирную конструкцию, прижимающую токосъемную дугу к контактному проводу посредством штоков и пружин.
Токоприемник состоит из основания, крестовины, деревянных штанг и каретки с контактной вставкой, изготовленной из алюминия и изолированной от всех металлических частей токосъемника. Каретка поднимается под действием двух пружин, а опускается с помощью троса или пневмопривода. Для уменьшения искрообразования токоприемники выполняют с двумя дугами, расстояние между которыми должно быть не менее 500мм.
Для питания тяговых двигателей применяют преобразовательные устройства, так как и для контактных, и для аккумуляторных электровозов требуется постоянный ток.
Тяговые подстанции обычно размещают в одной камере с другим шахтным высоковольтным электрооборудованием.