Теория№2. Общие сведения об электрических аппаратах, приборах и устройствах тепловозов

Теория№1. ВВЕДЕНИЕ. ОБЩИЕ ПОНЯТИЯ ОБ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ АППАРАТАХ. УСЛОВИЯ РАБОТЫ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ АППАРАТОВ И ДЕЙСТВИЯ ЦЕПЕЙ НА ТЯГОВОГО ПОДВИЖНОГО СОСТАВА (ТПС), ЗНАЧЕНИЕ ИХ НАДЕЖНОСТИ ДЛЯ УСТОЙЧИВОЙ РАБОТЫ

Краткие сведения об электрических аппаратах и электрических цепей. Условия работы электрических аппаратов и действия электрических цепей на ТПС. Значение надежной работы аппаратов и цепей для устойчивой работы ТПС

Электрический аппарат – это электротехническое устройство, которое используется для включения и отключения электрических цепей, контроля, измерения, защиты, управления и регулирования установок, предназначенных для передачи, преобразования, распределения и потребления электроэнергии.

В настоящей книге рассматриваются основы теории работы электрооборудования, конструкция и эксплуатационные" характеристики аппаратов, которые применяются на тяговом подвижном составе железных дорог.

Классификация электрических аппаратов может быть проведена по ряду признаков: назначению (основной выполняемой функции), области применения, принципу действия, роду тока, исполнению защиты от воздействия окружающей среды, конструктивным особенностям и др. Основной является классификация по назначению, которая предусматривает разделение тяговых электрических аппаратов на следующие большие группы:

1. Коммутационные аппараты, предназначенные для переключений в цепях тяговых двигателей, вспомогательных машин и электроотопления;

2. Параметрические, изменяющие параметры цепей.

Коммутационные аппараты бывают контактные, замыкающие и размыкающие цепи контактами, и бесконтактные, размыкающие цепи путем резкого снижения своей проводимости (полупроводниковые ключи, магнитные усилители в релейном режиме).

В зависимости от основных функций аппараты относят к силовым, вспомогательным цепям и цепям управления. В силовые и вспомогательные цепи преимущественно входят исполнительные аппараты систем управления. Это токоприемники и заземляющие устройства; коммутационные аппараты для группирования машин при пуске и торможении; регулирование напряжения на тяговых двигателях; резисторы и реакторы и т.д. Сюда же относят аппараты прямой защиты, непосредственно воздействующие на защищаемую цепь (например, быстродействующие автоматические выключатели), и аппараты косвенной защиты, работающие как датчики определенных величин.

Аппараты цепей управления имеют преимущественно распорядительно-информативное назначение. К ним относят следующие аппараты: комплекс автоматики, контроллеры машиниста, кнопочные выключатели, автоматические регуляторы электрических и неэлектрических величин, блокировки различных видов, обеспечивающие правильную последовательность срабатывания аппаратов и т.д.

Разнообразие функций тяговых аппаратов приводит к разнообразию принципов их действия, конструкций, исполнений. Изучать тяговые аппараты целесообразно на основе существенных обобщений и систематизированного группирования по физической природе элементов, на базе которых они выполнены.

В большей части коммутационных аппаратов используют электромеханические элементы, которые осуществляют переключение цепей, перемещая подвижные части аппарата. Изготовлять и обслуживать такие аппараты несложно, но они обладают рядом недостатков: механической и магнитной инерционностью, нестабильностью характеристик, вследствие изнашиваемости частей, незащищенностью от воздействия большого числа внешних и внутренних возмущений, относительно низкими надежностью и ремонтопригодностью. Однако только такие элементы обеспечивают гальваническую развязку цепей, отвечают требованиям электробезопасности в отношении обесточивания цепей и снятия напряжения.

Лучшими свойствами обладают ферромагнитные элементы магнитные усилители, дроссели насыщения и др. Их недостатками являются, в основном, лишь магнитная инерция и незащищенность от некоторых возмущений (например, от значительных колебаний напряжения). Эти элементы могут быть использованы во многих случаях для тех же целей, что и электромеханические, но они не обеспечивают абсолютного разъединения. Отключаемых цепей, имеют большие токи утечки, к тому же их массо-габаритные показатели не всегда лучше, чем у элементов других видов.

Наиболее благоприятные свойства имеют полупроводниковые элементы, обладающие минимальной инерционностью. Их характеристики стабильны в течение продолжительного времени; при правильных конструктивных решениях эти элементы обеспечивают высокую надежность. Непрерывный процесс совершенствования полупроводниковых элементов делает их наиболее перспективными, хотя и они не обеспечивают абсолютного разъединения отключаемых цепей.

Условия работы. К особенностям условий работы тяговых электроаппаратов относятся: ограничения по габаритным размерам и массе, повышенный уровень действующих на них динамических возмущений (вибрации, тряски и т.д.), повышенная загрязняемость, нестабильность напряжения тяговой цепи и цепей управления, широкий диапазон температур окружающей среды, нестабильность давления сжатого воздуха и др.

Габаритные ограничения. Тяговые аппараты размещены на тяговом подвижном составе (ТПС) в ограниченном пространстве. По условиям электробезопасности большую часть тяговых электроаппаратов силовых цепей в кузове локомотива размещают в высоковольтных камерах (ВВК), где цепи находятся под высоким напряжением.

Расположение ВВК в кузове тепловоза определяется общей компановкой оборудования на тепловозе. Наилучшим является вариант, когда аппаратура устанавливается в одной камере (тепловозы ТЭМ2, ТЭЗ, М62), но часто такое расположение оказывается невозможным, и аппаратуру размещают в двух (тепловозы 2ТЭЮЛ и 2ТЭ10В) или даже в трех камерах (тепловоз 2ТЭ116).

Для аппаратов, расположенных под кузовом моторных вагонов электропоездов, наибольшие габаритные ограничения приходится выдерживать по высоте. Ограниченные габариты осложняют конструкцию тяговых аппаратов и особенно коммутацион-ных аппаратов.

Внешние динамические возмущения.. Тяговые аппараты устанавливают в кузове ТПС, под кузовом или на крыше, т.е. в основном они подрессорены. Иногда, при установке отдельных аппаратов предусматривают амортизирующие элементы, например, эластомерные прокладки. Неподрессоривают лишь устройства для отвода тока, токоприемники при контактном рельсе.

Тяговые аппараты испытывают на обнаружение резонансных частот, вибростойкость, на воздействие одиночных ударных нагрузок до 3 д.

Повышенная загрязняемость. Большинство тяговых аппаратов практически невозможно полностью защитить от внешних загрязнителей. Герметизация ВВК или других аналогичных камер недопустима. Воздух в таких камерах, имеющих малый объем, интенсивно ионизируется в результате нагревания и коммутационного дугообразования. Это способствует перебросам электрической дуги на корпус или токоведущие части соседних аппаратов. В аппаратных камерах необходим естественный или принудительный обмен воздуха для их деионизации и охлаждения, т.е. в них должно поступать какое-то количество воздуха из кузова или пространства, окружающего ТПС.

При движении поезда со скоростью выше 80 км/ч, даже в случае щебеночного балласта, 1 м³ воздуха на уровне кузова содержит 25-30 мг пыли. При сильных снегопадах и снежных вьюгах масса снега в 1 м3 воздуха достигает 24-25 г. Полностью изолировать аппарат от этих загрязнителей невозможно, и какое их количество окажется в зоне расположения аппаратов, зависит от значительного числа зачастую случайных факторов.

Большое воздействие на состояние изоляционных поверхностей оказывает загрязнение воздуха парами масла и топлива, а также конденсация влаги и образование изморози при резких изменениях температур в условиях эксплуатации.

Из-за повышенной загрязняемости для тяговых электроаппаратов принимают расчетные расстояния перекрытия в 2, 5-3 раза большие, чем для аппаратов общетехнического назначения. Кроме того, на все детали аппаратов, подверженные коррозии, наносят антикоррозийное покрытие. В состав типовых испытаний включены климатические испытания, особенно испытания на влагостойкость.

Нестабильность напряжения. Нестабильность входных напряжений оказывает сильное влияние на работу электрического оборудования. Обычно отклонения входного напряжения от его номинального значения Uном строго нормируют.

Нормы колебаний напряжений на токоприемниках магистральных локомотивах постоянного тока допускают отклонения напряжения в пределах от +33 до -36%, переменного тока - от +16 до -25%. При работе по системе многих единиц колебание напряжения в цепях управления на зажимах аппаратов могут составлять до 50%. Эти отклонения существенно превышают установленные нормы для промышленных установок. Ужесточение соответствующих нормативов на отклонения или технически затруднено или экономически неоправданно.

Нестабильность напряжения существенно влияет на работу и параметры тяговых аппаратов (на магнитодвижущую силу). От величины магнитодвижущей силы МДС зависит сила магнитного притяжения электромагнитного аппарата. При минимальном напряжении необходимо предусматривать более чем двойной запас МДС. Нестабильность напряжения оказывает большое влияние и на работу усилителей всех видов. Несколько меньше она влияет на работу управляемых полупроводниковых приборов.

Температурные нестабильности. Огромная железнодорожная сеть страны расположена в различных климатических зонах, т.е. работает в широком температурном диапазоне. Стандарты на тяговые аппараты предусматривают возможность их различного климатического исполнения, однако, для железнодорожного транспорта это нецелесообразно. Поэтому для всех аппаратов ТПС магистральных железных дорог в соответствии с ГОСТ 9219— 88 принимают наибольшую температуру окружающего воздуха Т_вmax = +60° С, наименьшую - Т_Bmin = -50°С (климатическое исполнение УХЛЗ) и Т_{в min} = -60°С (УХЛ1, УХЛ2). На практике температура воздуха в ВВК достигает 70-80°С. На дорогах Урала и Сибири, а особенно на БАМе зимой температура воздуха доходит до -60°С. По ГОСТу температурный диапазон несколько занижен и составляет .

Нестабильность давления сжатого воздуха. В коммутационных аппаратах широко используют электропневматические приводы, в которых основная сила создается сжатым воздухом. По ГОСТ 9219-88 номинальное давление сжатого воздуха для тяговых аппаратов установлено Р_ном = 0, 5 МПа. Но на практике не представляется возможным точно выдерживать это давление, поэтому нормированы его отклонения: от Р_min = 0, 7 Р_ном = 0, 35 МПа до Р_mах = 1, 35 Р_ном = 0, 675 МПа. Кроме того, аппарат в течение одной минуты без повреждений должен выдержать испытательное давление P_исп=1, 5Р_ном=0, 75 МПа.

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ

1. Общее понятие об электрических аппаратов

2. Классификация электрических аппаратов

3. Объясните условию работ электрических аппаратов

Теория№2. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ ОБ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ АППАРАТАХ, ПРИБОРАХ И УСТРОЙСТВАХ ТЕПЛОВОЗОВ

Назначение, расположение на тепловозах, условные обозначения и классификация электрических аппаратов: коммутационные (силовые), управления ТПС, защиты электрических цепей, личной безопасности персонала и вспомогательные измерительные приборы. Монтажные материалы, изоляторы, требования существующих гостов к тяговым электрическим аппаратам. Термины и определения. Элементы конструкции электрических аппаратов и приборов. Контакты, их классификация по виду и характеру работ, форме, материалу. Требования к материалу и конструкции контакторов, размыкающих и не размыкающих цепи под током. Дугогасительные устройства, их классификация (с электромагнитным или воздушным выдуванием дуги), особенности конструкции в зависимости от величины тока, напряжения и индуктивности разрываемой цепи. Применение деионных решеток, шунтирующих резисторов, диодов, R-C цепочек. Приводы контактных систем, их классификация: непосредственные и косвенные, индивидуальные и групповые. Электропневматические вентили, их типы. Монтажные части (стойки, панели, держатели, тяги), их конструкции, материалы, предъявляемые к ним требования

Тяговые электродвигатели (ТЭД) предназначены для преобразования электрической энергии в механическую. Момент, созданный ТЭД, через зубчатую передачу и колесную пару преобразуется в силу тяги локомотива, которая реализуется в точке контакта колеса с рельсом. ТЭД расположены на тележках. Существуют два способа подвешивания ТЭД: опорно-осевое («трамвайное») которое применяется при невысоких скоростях движения (грузовые локомотивы), и опорно-рамное используемое на пассажирских локомотивах и электропоездах. При опорно-осевом подвешивании тяговый двигатель одной стороной прикреплен к раме тележки, а другой, противоположной, через подшипник опирается на ось колесной пары. В этом случае, примерно половина массы двигателя является подрессоренной, а другая половина, опирающаяся на ось колесной пары, является неподрессоренной. Удары от неровностей пути, воспринимаемые колесной парой, жестко передаются на ТЭД через моторно-осевые подшипники и зубчатое зацепление. В настоящее время в большинстве эксплуатируемых грузовых локомотивов применяют опорно-осевое подвешивание.

При опорно-рамном подвешивании ТЭД прикреплен к раме тележки и его масса полностью подрессорена относительно колесной пары.

Этот вид подвешивания применяют на пассажирских локомотивах и электропоездах, так как при скоростях движения 120 км/ч и выше опорно-осевое подвешивание из-за высоких динамических нагрузок не применяют. Опорно-рамное подвешивание более дорогое и его целесообразно применять при высоких скоростях движения. Новые локомотивы, подготовленные к серийному производству, такие как электровозы Э1, Э2, ЭЗ и другие имеют опорно-рамное подвешивание.

Условия работы. Локомотивы и моторовагонный подвижной состав работают в различных климатических зонах, а, следовательно, и по разным стандартам: ГОСТ 15150 и ГОСТ 15543. Основная часть России расположена в зоне умеренного климата (У). Основная часть БАМа находится в зоне умеренно-холодного климата (УХЛ). ТЭД в исполнении у рассчитаны на работу при температуре окружающего воздуха от +40 до -50°С, а при исполнении УХЛ от +40 до -60°С. ГОСТ 15150 устанавливает, что ТЭД в исполнении У и УХЛ можно эксплуатировать в теплых, влажных, жарких сухих и очень жарких сухих климатических районах с температурой воздуха выше 40 °С.

При высоких температурах происходит интенсивное старение изоляционных материалов, а также нарушается монолитность таких узлов ТЭД как коллекторы, моноблочные полюсные системы и др. Низкие температуры, кроме того, увеличивают жесткость пути и как следствие, происходит увеличение динамического воздействия на ТЭД, особенно при опорно-осевом подвешивании.

Высокая влажность воздуха уменьшает сопротивление изоляции, что может привести к ее пробою и выходу из строя ТЭД. Резкие перепады температуры с высокой влажностью воздуха может привести к обледенению. Коллектор покрывается инеем, что вызывает сильное искрение. Кроме того, высокая влажность воздуха вызывает ускоренную коррозию деталей ТЭД, выполненных из металлов.

Пыль, содержащаяся в воздухе, осаждаясь на изолированных поверхностях ТЭД снижает сопротивление электрической изоляции, а также теплопроводность, что может привести к перегреву обмоток. Пыль оказывает абразивное воздействие на подвижные детали ТЭД и тем самым вызывает их повышенный износ, а также на изоляционные и антикоррозийные поверхности и ускоряя их старение.

В летнее время в условиях Сибири, Севера и Дальнего Востока воздух насыщен насекомыми. Осаждение их остатков на охлаждаемых поверхностях и в вентиляционных каналах снижает интенсивность охлаждения в большей степени, чем пыль. Органическая смесь является токопроводящей, что представляет большую опасность для деталей, находящихся под напряжением.

На ТЭД воздействуют вибрации, которые с повышением скорости движения возрастают. По опытным данным ВЭлНИИ ускорения вибраций составляют для опорно-осевого подвешивания 20-25 g, для опорно-рамного подвешивания 3-5 g. Из технической механики известно, что произведение массы т ТЭД на ускорение а — есть сила F:

; (7.1)

при опорно-осевом подвешивании и

. (7.2)

при опорно-рамном подвешивании.

Сравнивая формулы (7.1) и (7.2) видим, что наибольшие динамические воздействия испытывает ТЭД при опорно-осевом подвешивании.

В соответствии с ГОСТ 6962 напряжение в контактной сети может колебаться в широких пределах. Для ЭПС постоянного тока номинальное напряжение в контактной сети составляет 3000 В; оно может увеличиваться до 3850 В и снижаться до 2200 В. В то же время при рекуперации напряжение может подниматься до 4000 В. В контактной сети переменного тока номинальное напряжение составляет 25000 В. Оно может увеличиваться до 29000 В и уменьшаться до 19000 В. При таких перепадах питающего напряжения ТЭД должен надежно работать. Необходимо также, чтобы ТЭД устойчиво работал при ослабленном возбуждении и нестационарных режимах при кратковременном отрывании токоприемника от контактного провода, например, во время гололеда.

ТЭД расположен в ограниченном пространстве. Боковые стороны ограничены колесными центрами, снизу — рельсовый путь, сверху — рама тележки, с торцов — ширина железнодорожной колеи за вычетом ширины бандажа колесной пары (остается 1440мм) и односторонних или двухсторонних редукторов. В эти ограниченные габариты требуется вписать большую мощность. Кроме того мощность ТЭД ограничена потенциальными условиями на коллекторе, а также диаметром и линейной нагрузкой якоря. Максимальный диаметр якоря ограничен максимальной частотой вращения и габаритными размерами.

Режимы работы. Расчетными режимами работы ТЭД являются часовой и продолжительный.

Продолжительной называют мощность, с которой двигатель может работать в течение длительного времени, и при этом температура нагрева его отдельных частей не превысит допустимую. Часовой называют мощность, с которой двигатель может работать в течение одного часа, и его обмотки за это время нагреваются под действием тока от температуры окружающей среды до предельно допустимой температуры.

Часовая мощность всегда несколько больше длительной. Соотношение продолжительной и часовой мощностей определяет эффективность вентиляции. Соответственно этому увеличивают ток продолжительного режима и ток часового режима. Ток, протекая по обмоткам, вызывает их нагрев. Нагревание обмоток якоря и катушек полюсов определяет работоспособность двигателя. Предельно допустимые превышения температур обмоток и коллектора при продолжительном режиме следующие:

Класс изоляции....................................................В F Н

Обмотка якоря, °С............................................120 140 160

Обмотка полюсов, °С........................................130 155 180

Коллектор, °С.....................................................95 95 105

При больших перегревах происходит разрушение изоляции.