Режимы и характеристики работы тяговых электрических двигателей тепловозов

Как было показано в п.3.1, на тепловозах ТЭД является звеном сложной энергетической цепи. В ней происходит последовательное преобразование механической энергии в электрическую (в тяговом ге­нераторе ТГ) и электрической энергии в механическую (в тяговых дви­гателях ТЭД). Совокупность преобразователей энергии, то есть генера­тора и двигателей, соединенных в электрическую цепь, называют элек­трической передачей тепловоза. Условная схема такой передачи по­казана на рис.4.6.

Из рис.6.6 видно, что потребителями энергии, вырабатываемой ди­зелем Д, являются тяговый генератор ТГ и вспомогательное обору­дование тепловоза ВО (вентиляторы охлаждающих устройств дизеля и

тяговых электромашин, тормозной компрессор и др.). Отсюда следует

равенство мощностей

N_e = N_Г + N_B0, кВт,

(6.3)

где N_e - эффективная мощность дизеля (мощность на коленчатом валу), кВт;

N_Г, N_ВО - мощность, потребляемая тяговым генератором и вспомогатель­ным оборудованием соответственно, кВт..

Рис.6.6. Схема электрической передачи тепловоза

Д - дизель; ВО - вспомогательное оборудование; ТГ-тяговый генератор; Н-независимая обмотка возбуждения тягового генератора; ТЭД-тяговый электродвигатель; ОВ-обмотка возбуждения тягового электро­двигателя; КП-колесная пара; ОРД-объединенный регулятор дизеля; САУ-система автоматического управления электропередачей; I_ВГ-ток возбуждения тягового генератора.

Для экономичной работы дизеля на каждой из позиций контрол­лера машиниста (устройства для управления локомотивом) должны поддерживаться постоянными частота вращения коленчатого вала, цик­ловая подача топлива и, следовательно, эффективная мощность дизеля N_е. В этом случае, согласно формуле (6.3), постоянной должна быть и суммарная мощность нагрузки дизеля, то есть N_Г+N_ВО.

Мощность привода вспомогательного оборудования N_B0 при работе
тепловоза на неизменной позиции контроллера может увеличиваться и
уменьшаться, обычно ступенчато (например, при включении и отклю­чении тормозного компрессора). В этой ситуации мощность ТГ должна
изменяться таким образом, чтобы выполнялось условие экономичной
работы дизеля:

N_е = N_Г + N_B0 = const

(6.4)

Иначе говоря, на каждой позиции контроллера машиниста мощность ТГ должна быть равна свободной мощности дизеля:

N_Г = N_е - N_B0, кВт,

(6.5)

где N_е-N_B0 - свободная мощность дизеля, кВт.

Таким образом, при неизменной позиции контроллера машиниста уровень мощности ТГ N_Г- может быть различным, даже при условии по­стоянства эффективной мощности N_e=const. Однако при каждом ус­тановившемся (фиксированном) значении свободной мощности дизеля N_e-N_B0 величина мощности ТГ должна быть постоянной, то есть

N_Г = Р_Г η_Г = (U_Г I_Г) / η_Г = const,

(6.6)

где Р_Г - электрическая мощность, вырабатываемая ТГ, кВт;

η_Г - к п.д. генератора, равный 94-95%;

U_Г,I_Г - напряжение и ток генератора соответственно.

Пренебрегая влиянием изменения к.п.д. η_Г выражение (6.6) обычно записывают в виде

U_Г I_Г = const

(6.7)

или, переходя к параметрам работы ТЭД,

U_Д I_Д = const

(6.7')

Формулы (6.7), (6.7') выражают основной закон работы электричес­кой передачи при неизменном уровне свободной мощности дизеля.

Следовательно, при работе тепловоза на заданной позиции кон­троллера и произвольных изменениях тока ТЭД I_Д вызванных ко­лебаниями скорости движения локомотива V, необходимо принуди­тельно изменять напряжение ТЭД U_Д по закону (6.7),(6.7'). Для выпол­нения этого требования зависимость U_Г=f(I_Г), называемая внешней ха­рактеристикой тягового генератора тепловоза [9], в средней части (зона II) имеет форму гиперболы (рис.6.7,а). Прямые участки внешней характеристики отражают ограничения силы тока (зона 1) и напряжения (зона III) тягового генератора.

Формирование внешней характеристики ТГ на тепловозах осу­ществляется системой автоматического регулирования электриче­ской передачей (САР). В САР от специальных датчиков поступают электрические сигналы (на рис.6.6 показаны штриховыми линиями), которые косвенно характеризуют величины эффективной N_e и свобод­ной N_e-N_B0 мощности дизеля, а также электрической мощности генера­тора Р_Г. Сравнивая эти сигналы, САР формирует гиперболический уча­сток внешней характеристики ТГ - регулирует напряжение ТГ U_Г таким образом, чтобы при любых колебаниях тока ТГ I_Г и мощности вспомо­гательного оборудования N_В0 выполнялись условия (6.5) и (6.7). При изменении позиции контроллера машиниста и, следовательно, эффек­тивной мощности дизеля N_e CAP устанавливает мощность генератора

ТГ в соответствии с требованием (6.4). При этом характеристики рабо­ты ТГ смещаются, что показано на рис.6.7, б.

а) б)

Рис.6.7. Зависимости напряжения U_Г (а) и электрической мощности Р_Г (б)
тягового генератора от силы тока I_г

Т'аким образом, будем считать, что тяговый генератор ТГ и тя­говый двигатель ТЭД тепловоза на каждой позиции контроллера рабо­тают при постоянной мощности. Ток двигателя I_д при этом зависит от напряжения U_д=U_г ичастоты вращения якоря ТЭД n_д (в соответствии с формулами (4.6) и (4.7)):

I_Д = (U_Г - E_Д) / R_Д = (U_Г - С_е Ф_д n_Д) / R_Д, А.

(6.8)

С увеличением скорости движения тепловоза V сила тока I_д уменьша­ется вследствие повышения противо-ЭДС ТЭД Е_д (рис.6.8). Одновре­менно САУ увеличивает напряжение ТГ U_Г, поскольку P_Г=U_ГI_Г=const. Поэтому у тепловозов, по сравнению с электровозами, токовая I_Д=f(V) и тяговая F_KД=f(V) характеристики ТЭД более пологие (напомним, что ТЭД электровозов работают при условии U_Д≈const).

Интенсивность изменения силы тяги ТЭД в зависимости от ско­рости локомотива V оценивают производной χ = -dF_КД/dV, которую на­зывают жесткостью тяговой характеристики [10,11]. Тяговая харак­теристика ТЭД электровоза крутопадающая и поэтому более жесткая, чем пологая характеристика ТЭД тепловоза.

Для управления силой тяги ТЭД тепловоза и движением поезда машинист изменяет мощность дизеля N_e и, следовательно, тягового ге­нератора Р_Г. При этом увеличивается или уменьшается уровень напря­жения ТГ U_Г, а вместе с ним ток I_д, электромагнитный момент М_Э=С_МФ_ДI_Д и сила тяги F_КД ТЭД (рис.6.9).

Отечественные магистральные тепловозы имеют, как правило, 15 позиций регулирования мощности дизеля (позиций контроллера маши­ниста), а маневровые и промышленные тепловозы – 8

а) токовая б) тяговая

Рис.6.8. Токовая и тяговая характеристики работы ТЭД в различных режимах

――― в режиме постоянства мощности (тепловоз);

- - - - - в режиме постоянства напряжения (электровоз)

Р_Г2>Р_Г1

а) внешняя характеристика ТГ б) тяговая характеристика ТЭД

Рис.6.9. Характеристики работы тяговых электрических машин тепловоза при различной мощности дизель-генераторной установки

Из рис.6.7 и 6.9 видно, что полное использование мощности ТГ Р_Г, на каждой из позиций контроллера возможно лишь в определенном ин­тервале изменения тока I_Г и напряжения U_Г, а следовательно силы тяги ТЭД F_КД и скорости движения тепловоза V (зона II). С ростом скорости V сила тока I_Г, уменьшается, а напряжение U_Г,- автоматически увеличивается вплоть до своего ограничения. Дальнейшее снижение тока ТГ I_г (зона III) вызывает пропорциональное уменьшение мощности P_Г=U_ГI_Г. В этом случае нарушается условие экономичной работы дизеля (6.4).

Чтобы расширить интервал скоростей движения, соответствующий гиперболической зоне II внешней характеристики ТГ, при повышении скорости V приходится искусственно увеличивать ток двигателей и ге­нератора. Это достигается за счет автоматического управления ТЭД путем ослабления возбуждения [9].

Ослабление возбуждения ТЭД осуществляется, как и на электро­возах, при помощи сопротивления R_Ш, которое подключается парал­лельно обмотке возбуждения двигателя ОВ (см. рис.6.6 и 6.4). В момент перехода, то есть включения сопротивления R_Ш, в электрической пе­редаче тепловоза происходят следующие процессы:

· ток ТЭД I_Д=(U_Г-С_еФ_Дn_Д)/R_Д увеличивается вследствие уменьшения величин Ф_Д и R_Д;

· САР электропередачей снижает напряжение ТГ U_Г так, чтобы мощ­ность генератора P_Г=U_ГI_Г и тягового двигателя Р_Д = U_дI_д≈М_Э/n_д оста­вались неизменными;

· электромагнитный момент на валу ТЭД М_Э=С_М Ф_дI_д остается практи­чески постоянным, поскольку величина магнитного потока Ф_д уменьшилась, а силы тока I_д увеличилась; поэтому сила тяги ТЭД F_КД изменяется незначительно, только вследствие некоторого изменения к.п.д. тягового двигателя;

· частота вращения якоря ТЭД n_д и скорость движения тепловоза V в момент перехода не изменяются.

Графическое представление данных процессов, поясняющее наз­начение и действие ослабления возбуждения ТЭД на тепловозах, по­казано на рис.6.10.

Из рис.6.10 видно, что ослабление возбуждения ТЭД тепловозов расширяет интервал скоростей, при котором используется полная мощ­ность дизель-генераторной установки. Обычно ослабление возбуждения второй ступени ОП₂ позволяет обеспечить использование полной мощ­ности вплоть до конструкционной скорости тепловоза V_K. Ослабление возбуждения первой ступени OП₁ служит для уменьшения скачков тока при переходе с полного возбуждения на ослабленное (и наоборот).

Таким образом, основные особенности работы ТЭД на теплово­зах заключаются в следующем:

1) на каждой позиции контроллера машиниста ТЭД работает при посто­янной мощности, которую поддерживает САР электропередачей пу­тем регулирования тока возбуждения ТГ I_ВГ и его напряжения U_Г;

2) управление силой тяги ТЭД F_КД осуществляется машинистом за счет изменения мощности дизеля N_e и, следовательно, тягового генератора Р_Г, с помощью контроллера машиниста;

3) ослабление возбуждения ТЭД на тепловозах не предназначено для регулирования силы тяги машинистом и производится автоматиче­ски; при изменении режима возбуждения электрическая мощность ТЭД остается постоянной.

Рис.6.10. Расширение интервала скоростей движения,

при котором используется полная мощность дизель-генератора,

за счет ослабления возбуждения ТЭД

А - интервал скоростей использования полной мощности при работе

без ослабления возбуждения ТЭД (режим "полного поля" I III);

Б - то же при двух ступенях ослабления возбуждения OП₁ и ОП₂;

о - переход с одного режима возбуждения ТЭД на другой;

V_К - конструкционная скорость локомотива

Знание особенностей и режимов работы ТЭД на локомотивах поз­воляет рассчитывать характеристики тягового электропривода, а далее тяговые и токовые характеристики тепловозов и электровозов.