ВВЕДЕНИЕ

Система распределения смонтирована на распределительном щите в служебном купе проводника. На вагонах с автономной системой электроснабжения имеется полный комплект устройств, необходимых для работы:

-источник питания

-потребители

-система распределения энергии.

Источник питания предназначен для получения электрической энергии. На пассажирском вагоне имеется минимум два источника питания:

-аккумуляторная батарея

-генератор

При движении питание производится от генератора. Вал генератора приводится во вращение с помощью механической передачи, которая называется приводом генератора. У большинства пассажирских вагонов генератор начинает работать на скорости около 35 км/ч. Если скорость движения меньше, то питание осуществляется от аккумуляторной батареи (наиболее часто применяется щелочная никель-железная батарея). В качестве генераторов используют следующие виды электрических машин:

-генераторы постоянного тока (на более старых вагонах)

-генераторы переменного тока

Мощность любого генератора составляет примерно:

-8-12 киловатт на вагонах без кондиционера

-28-32 киловаттa на вагонах с кондиционером (привод генератора — редуктор от средней части оси колесной пары)

Если скорость движения поезда мала или он не движется, то напряжение на выходе генератора отсутствует либо не достаточно для питания потребителей. Если поезд движется с высокой скоростью, то напряжения генератора становится выше ЭДС аккумуляторной батареи. При этом ток в аккумуляторной батарее меняет направление и она становится одним из потребителей (накапливает электрическую энергию). Обратный диод предотвращает разряд аккумулятора через обмотку неработающего генератора, когда поезд не движется.

При автономной системе электроснабжения напряжение составляет:

-54В на вагонах без кондиционирования

-110В на вагонах с кондиционированием.

1 Генераторы пассажирских вагонов

1.1 Генераторы постоянного тока

В пассажирских вагонах постройки ГДР, ПНР и ВНР установле­ны генераторы постоянного тока с параллельным возбуждением. На вагонах без кондиционирования воздуха постройки ГДР применяют генератор типа 23.07/21 или его модификации 23.07/11,15, 17 u 19, а на вагонах постройки ПНР — однотипный с ним генератор PW-l14a. На вагонах с кондиционированием воздуха используют генераторы K694L и DUGG-28B. Основные технические данные генераторов при­ведены в табл. 1.1

Ток нагрузки генератора I_н, а следовательно, и ток в обмотке якоря I_я»I_н  определяются мощностью подключен­ных к генератору потребителей и током заряда аккумуляторной батареи. Ток возбуждения I_в зависит от работы регулятора РНГ, кото­рый изменяет его так, чтобы обеспечить стабилизацию напряжения генератора.

Электрические и магнитные свойства генераторов постоянного тока, применяемых на пассажирских вагонах, определяются как и для стационарных машин, по их характеристикам (характеристика хо­лостого хода, внешняя, регулировочная и скоростная). Однако у ге­нераторов с приводом от оси колесной пары частота вращения изме­няется, поэтому в отличие от стационарных машин у них характери­стика каждого тина — это семейство кривых для всего диапазона частот вращения. Характеристики обычно строятся для относитель­ных значений э.д.с. Е, напряжения U, тока возбуждения I_в и тока

Таблица 1.1

Тип генератора	Номинальная длительная мощность кВт	Диапазон рабочей частоты вращения об/мин	Диапазон рабочего напряжения, В	Масса, кг
23/07.21	4,9	550-2900	53-65	185
23/07.11	4,5	650-2100	53-65	185
PW-114а	4.55	650-2600	53-65	185
DUGG-28B	28	600-3000	110-138	1200
K694L	21,5	600-3000	110-135	1000

нагрузки I_н,  выраженных в процентах от их номинального значения. На практике характеристики вагонных генераторов приводят обычно для трех значений частоты вращения п: наименьшей, средней и наи­большей.

Характеристики холостого хода. Этой характеристикой называет­ся зависимость э.д.с. Е генератора (его напряжения U_o при холо­стом ходе) от тока возбуждения при неизменной частоте вращения (рис.1 а). При увеличении тока возбуждения возрастает магнитный поток Ф и э.д.с. генератора Е = с_eпФ. При этом с_е — постоянный коэффициент, определяемый конструктивными параметрами данной машины (количеством проводников обмотки якоря, ее параллельных ветвей и полюсов), но не зависящий от режима ее работы.

При сравнительно небольших значениях тока возбуждения и по­тока магнитная цепь машины не насыщена и зависимость Е =f(I_в) линейна. Однако при возрастании тока I_в u потока Ф магнитная си­стема насыщается и характеристика холостого хода становится не­линейной. Нелинейность характеристики холостого хода определяется коэффициентом магнитного насыщения к_нас, который представляет собой отношение отрезков аb/ас на магнитной характеристике машины (рис.1.1, б) при потоке Ф_ном соответствующем значениям Е_ном, и n_ном. Обычно в генераторах постоянного тока к_нас = 1,4-2.

При увеличении частоты вращения уменьшается ток возбуждения (т. е. потока Ф), необходимый для получения заданной э.д.с. Так, при наименьшей частоте вращения n_мин для создания э.д.с. Е_ном необ­ходимо иметь наибольший ток возбуждения I_вмакс; при увеличении частоты вращения до n_макс необходимый ток возбуждения уменьшает­ся и составляет I_{в мин}. При изменении частоты вращения также не­сколько изменяется остаточная э.д.с. E_ост, обусловленная остаточным магнетизмом машины. Характерная особенность генераторов, частота вращения которых изменяется в широких пределах, состоит в том, что, начиная со средней частоты вращения n_ср и выше, генераторы работают при слабом или совсем ненасыщенном магнитопроводе. Даже при наименьшей частоте вращения n_мин э.д.с. Е_ном (точка А} соответствует примерно колену магнитной характеристики. Это объясняется стремлением понизить наибольший ток возбуждения I_вмакс,

Р ис.1.1.Характеристики холостого хода (а) и магнитная характеристика (б)

чтобы создать более благоприятные условия для работы регулятора напряжения и уменьшения его габаритных размеров.

Генератор с параллельным возбуждением является самовозбуждаю­щейся машиной. Самовозбуждение генератора возможно только при выполнении определенных условий. Для установления их рассмотрим  процесс изменения тока i_в в контуре обмотка возбуждения - якорь при режиме холостого хода. Для рассматриваемого контура согласно второму закону Кирхгофа можно написать уравнение

где e. и i_в, — мгновенные значения э д.с. Е и тока I_в; мгновенное значение э.д.с. самоиндукции, индуктируемой в обмотках возбуждения и якоре при изменении тока i_в; u=i_вr_в - мгновенное значение напряжения генератора, приложенное к цени возбуждения; r_в — суммарное сопротивление цепи возбуждения генератора, т. е. обмотки возбуждения и исполнительного органа регулятора РНГ (сопротивлением обмотки якоря и добавочных полюсов можно пре­небречь, тк как они значительно меньше сопротивления обмотки возбуждения); L_в — суммарная индуктивность цепи возбуждения (обмоток возбуждения и якоря).

Все члены, входящие в формулу (1), могут быть изображены гра­фически На рис.1.2, а показаны зависимость  - кривая 0В, представляющая характеристику холостого хода генератора, и вольт-амперная характеристика сопротивления его цепи возбужде­ния Последняя является прямой OA₁, проходящей че­рез начало координат под углом γ к оси абсцисс; при этом tg γ про­порционален r_в. Из формулы (1) имеем, что

Следовательно, если разность  положительна, то произ­водная  и происходит процесс увеличения тока возбуждения. Установившийся режим будет при , т. е. в точке С пересе­чения характеристики холостого хода 0В с прямой ОА₁. При этом устанавливается постоянное напряжение холостого хода U₀=E₀ и ток возбуждения I_в0, определяемый напряжением генератора и сопротив­лением его цепи возбуждения r_в.

Анализ переходного процесса изменения тока i_в, в контуре обмотка возбуждения - якорь позволяет установить следующие основные условия самовозбуждения.

Процесс самовозбуждения в генераторе может начаться только в том случае, если в начальный момент, когда i_в = 0, в обмотке яко­ря индуктируется некоторая э.д.с. е, которая может быть создана лишь потоком остаточного магнетизма. Поэтому для начала процесса самовозбуждения генератора необходимо, чтобы в

Р ис. 1.2. Графики изменения э.д.с. и напряжения генератора в процессе самовозбуждения

магнитной цепи машины был поток остаточного магнетизма, индуктирующий в обмотке якоря э.д.с. Е_ост.

При включении обмотки возбуждения ее м. д. с. должна быть на­правлена согласно с м. д. с. остаточного магнетизма. В этом случае под действием разности  происходит процесс нарастания тока i_в магнитного потока машины и э.д.с. е.

Положительная разность , необходимая для возрастания тока возбуждения от нуля до установившегося значения I_во, может быть только в том случае, если в указанном диапазоне изменения тока t_в прямая OА₁ располагается ниже характеристики холостого хода. При изменении сопротивления цепи возбуждения r_в изменяется угол g наклона прямой ОА к оси тока и при некотором критическом значе­нии этого угла g_кр, соответствующем сопротивлению, r_{в кр}, прямая ОА₃  практически совпадает с прямолинейной частью характеристики холостого хода. В этом случае  и процесс самовозбуждения становится невозможным. Следовательно, для самовозбуждения гене­ратора необходимо, чтобы сопротивление цепи возбуждения было мень­ше критического значения. Это условие ограничивает возможный диапазон регулирования тока возбуждения, а следовательно, и на­пряжения генератора с параллельным возбуждением. Обычно умень­шать напряжение генератора путем изменения r_в можно лишь до (0.6 ¸ 0,7) U_ном.

Для генераторов, приводимых во вращение от оси колесной пары, существуют еще и три дополнительных условия самовозбуждения.

При разгоне поезда до достижения частоты вращения n_мин генера­тор должен работать при холостом ходе. Если во время разгона к ге­нератору подключить большую нагрузку, то вследствие значительного падения напряжения в якоре напряжение на его зажимах в начале разгона снизится почти до нуля и процесс самовозбуждения не нач­нется. Следовательно, в системе электроснабжения должна быть пре­дусмотрена аппаратура, предотвращающая возможность подключе­ния к генератору нагрузки при п < n_мин.

Сопротивление цепи возбуждения должно быть ниже критическо­го для каждой данной частоты вращения. Поэтому для быстрого возбуждения генератора рекомендуется при разгоне поезда не вводить в пень возбуждения никаких дополнительных резисторов.

Если уменьшить частоту вращения n, то соответственно сместит­ся вниз характеристика холостого хода (рис. 1.2, б), уменьшится кри­тическое сопротивление. Так, для частоты вращения n₂ критическое сопротивление соответствует прямой ОА₂ с углом g₂ < g₃. Следова­тельно, для каждого сопротивления цепи возбуждения генератора можно подобрать такую частоту вращения n, при которой это сопротив­ление станет критическим. Эта частота вращения называется «мерт­вой». Очевидно, что «мертвая» частота вращения для самой обмотки возбуждения без добавочных резисторов будет той наименьшей часто­той вращения, ниже которой невозможен процесс самовозбуждения в генераторе. По этой причине в некоторых системах для ускорения возбуждения генератора при разгоне поезда на обмотку возбуждения подают питание от аккумуляторной батареи при помощи соответст­вующего реле.

При изменении направления вращения якоря генератора направ­ление тока в обмотке возбуждения должно оставаться неизменным; тогда создаваемый этой обмоткой магнитный ноток не уничтожит по­ток остаточного магнетизма. В генераторах обычного типа это дости­гается переключением проводов, присоединяющих обмотку возбужде­ния к щеткам машины. В генераторах с поворотной щеточной травер­сой никаких переключении обмотки возбуждения производить не  нужно, так как у них полярность щеток не меняется.

Внешние характеристики Внешней характеристикой генератора (рис. 1.3, а) называется зависимость напряжения U от  тока нагрузки I_в при неизменной частоте вращения п и неизменном сопротивлении r_вцепи возбуждения. Напряжение генератора

При увеличении тока нагрузки I_н, а следовательно, и тока якоря I_я напряжение уменьшается по следующим причинам:

в результате потери напряжения I_яr_я на внутреннем сопротивле­нии r_я цепи якоря (сопротивление обмоток якоря н добавочных по­люсов);

Р ис. 1.3. Внешние характеристики при работе генератора без регулятора «напряжения (а} и с регулятором (б)

вследствие уменьшения э.д.с. Е в результате размагннчивающего действия реакции якоря, под которой понимают воздействие на режим работы машины потока якоря Ф_я созданного током I_я, при этом магнитный поток Ф машины при нагрузке становится меньше потока , при холостом ходе;

из-за уменьшения тока возбуждения  а следовательно, и потока Ф_в, создаваемого обмоткой возбуждения, вследствие уменьшения напряжения U генератора.

Для генераторов с параллельным возбуждением изменение напряже­ния при переходе от режима холостого хода к номинальной нагрузке составляет 5—10%. Генератор может работать устойчиво только на участке АБ внешней характеристики. Рабочим является начальный ее участок до номинального тока I_ном. Участок БВ характеристики соот­ветствует неустойчивой работе генератора и при достижении критиче­ского тока I_кр  генератор, размагничиваясь, переходит в режим корот­кого замыкания, соответствующий точке В. В этом режиме напряжение генератора и ток возбуждения становятся равными нулю, вследствие чего ток короткого замыкания I_кз создается только за счет э.д.с. остаточного магнетизма. По этой причине установившийся ток I_кз в большинстве случаев не превышает номинального тока. Ударный ток короткого замыкания (ток, возникший при переходном процессе в момент короткого замыкания) может быть в несколько раз больше номинального.

При работе генератора совместно с РНГ до некоторого предель­ного тока последний поддерживает напряжение генератора практиче­ски неизменным (рис. 1.3, б). Только после достижения I_пр регулятор РНГ перестает стабилизировать напряжение и генератор переходит на работу по естественной части соответствующей характеристики.  Работа его будет устойчивой до точки Б и неустойчивой от точки Б до точки В. При наименьшей частоте вращения n_мин ток I_{пр мин} бли­зок к критическому и для вагонных генераторов составляет примерно 100—110% номинального I_ном. Следовательно, при n_мин эти генерато­ры не имеют запаса по мощности. С увеличением частоты вращения до наибольшей предельный ток достигает величины I_{пр. макс}=(2¸4)I_ном.

Регулировочные характеристики. Каждая из регулировочных ха­рактеристик генератора, полученных при различных частотах враще­ния (рис 3 представляет зависимость тока возбуждения I_в от то­ка нагрузки I_н неизменном напряжении U и постоянной частоте вращения п. Регулировочная характеристика показывает, как надо изменять ток в обмотке возбуждения генератора, чтобы напряжение его при изменении тока нагрузки было постоянным. Пока генератор работает при нагрузках, не превышающих номинальную, т. е. на пологой начальной части внешней характеристики, напряжение его уменьшается сравнительно мало и ток возбуждения должен возрастать незначительно. При дальнейшем увеличении нагрузки напряжение генератора начинает резко падать, значит, ток возбуждения должен сильно увеличиться. Точки А₁, А₂, и А₃, регулировочных характери­стик соответствуют режиму холостого хода. По регулировочным характеристикам можно определить наибольший и наименьший токи возбуждения, необходимые для стабилизации напряжения генерато­ра на уровне U_ном, при изменении частоты вращении и нагрузки. Наи­меньший ток I_{в мин}, соответствует наибольшей частоте вращения п_макс холостому ходу машины; наибольший ток I_{в макс}  - наименьшей ча­стоте вращения n_мин и номинальной нагрузке I_ном.

Скоростные регулировочные характеристики. Эти характеристики (рис. 1,3, б) представляют собой зависимости тока возбуждения I_в от частоты вращения п при постоянном напряжении U на зажимах ге­нератора и неизменном токе нагрузки. Обычно их строят для номиналь­ного напряжения генератора при холостом ходе (кривая 1) и номиналь­ной нагрузке (кривая 2). По этим кривым можно определить токи I_{в мин} и I_{в макс} т.е. диапазон изменения тока возбуждения, необходимый для поддержания стабильного напряжения на нагрузке. Отношение называют коэффициентом регулирования тока воз­буждения. Для современных генераторов пассажирских вагонов k_i= 12¸15.

Устройство. Генераторы типа 23/07.21, его модификации 11, 15, 17, 19 и однотипный с ними генератор PW-114a представля­ют собой четырехполюсные машины закрытого исполнения (рис. 1.4). Корпус генераторов литой. В верхней части его имеются лапы для креп­ления генератора к раме тележки. Полюсы собраны из листовой элек­тротехнической стали и прикреплены к остову болтами. На полюсах имеются катушки обмотки возбуждения. Подшипниковый щит, уста­новленный со стороны коллектора, закрыт съемным ленточным кожу­хом, который позволяет осматривать коллектор и щетки. Якорь гене­ратора выполнен из изолированных листов электротехнической стали, собранных в сердечник, напрессованный на вал. Обмотка якоря волно­вая ступенчатая, выполненная из одновитковых секций. Якорные ка­тушки укладываются в пазы сердечника якоря в два слоя. Примене­ние ступенчатой обмотки способствует улучшению коммутации. Кон­цы секций обмотки якоря соединяются с соответствующими пластина­ми коллектора. Со стороны, противоположной коллектору, на валу якоря установлена муфта для соединения генератора с редукторно-карданным приводом.

Р ис. 1.4. Регулировочные (а) и скоростные регулировочные характеристики (б)

Р ис. 1.5 Устройство генератора 23/07.21:

1-корпус; 2,12-подшипниковые щиты; 3- шарикоподшипник; 4-штепсельный разъем; 5-щеточная траверса; 6 – коллектор; 7 - съемный кожух; 8 - обмотка возбуждения; 9- якорь; 10 - полюс; 11-лапы; 13 - обмотка якоря; 14 - приводная муфта.

Щеточный аппарат генератора этого типа имеет особую конструк­цию Щеточная траверса 5 установлена на подшипниковом щите 2 и может свободно поворачиваться на его втулке на 90°. При изме­нении направления вращения якоря траверса под действием силы трения щеток о коллектор поворачивается на 90° и щетки изменяют свое положение относительно полюсов (смещаются на одно полюсное деление), а в результате этого полярность щеток остается неизменной. В генераторе смонтировано четыре щеткодержателя, в каждом из которых установлено по одной щетке марки ЭГ-14 Противоположно расположенные щеткодержатели соединяются между собой попарно и провода от них выводятся к выводным зажимам.

Генератор 23/07.11 отличается от генератора 23/07.21 конструкцией остова и элементами крепления. Этот генератор подвешивается на раме тележки и приводится во вращение с помощью ременного привода. Для этого на его валу устанавливают шкив, а в верхней части остова крепят литую коробку, на которой смонтирован вал для подвески генератора к раме вагона и пружина для натяжения ремня.

На вагонах с кондиционированием воздуха устанавливают агрегаты, состоящие из генератора постоянного тока и трехфазного асинхронного двигателя для вращения генератора на стоянках. Генератор и электродвигатель (рис. 5) расположены в одном корпусе, имеют общий вал и представляют единую электрическую машину. Все эти генераторы являются четырех полюсными машинами закрытого исполнения. Технические данные их приведены в табл. 2.

Генератор имеет стальной литой разъемный корпус, в части 17 которого запрессован пакет статора 7 асинхронного электродвигателя с обмоткой 5; в другой части 16 остова укреплены полюсы генератора постоянного тока: главные и добавочные, с соответствующими обмот­ками 9 и 10. Агрегат DUGG-28B имеет смешанное возбуждение, агре­гат KG94L — параллельное. На валу 2 машины установлены ротор 6 асинхронного электродвигателя с короткозамкнутой обмоткой типа «беличья клетка», якорь 11 генератора постоянного тока, коллектор 12 и вентиляторы 3 и 8, обеспечивающие интенсивное охлаждение на­гретых частей машины. С торцов остов закрывается двумя подшипни­ковыми щитами 1 и 15, в которых смонтированы подшипники каче­ния 4. На щеточной траверсе смонтированы четыре щеточных пальца, на которых установлены щеткодержатели 13 со щетками марки ЭГ-2А. Конец вала 2 машины соединяют с карданным валом привода. В агре­гате DUGG-28B со стороны коллектора смонтирован специальный пе­реключатель, закрытый кожухом 14. Переключатель обеспечивает сохранение неизменной полярности напряжения, подаваемого на нагруз­ку при изменении направления вращения генератора.

Переключатели полярности. В агрегате DUGG-28B применен пе­реключатель полярности, смонтированный внутри агрегата. Две пары неподвижных контактов 1, 2, 3 и 4 переключателя мо­гут замыкаться двумя подвижными контактами 5 и 7, установленны­ми на изоляционной планке 6. Подвижные контакты перемещаются при помощи поворотной траверсы 8, на которую действуют кулачки 10 и\ 11 шайбы 9, установленной на валу электромашинного преобразова­теля- Планка 6 укреплена эксцентрично относительно оси поворота траверсы 8. Поэтому при ее повороте контакты 5 и 7 перемещаются вверх и вниз.

Установка генераторов на вагоне и способы их охлаждения. Место установки генератора на вагоне определяется в основном его мощ­ностью габаритными размерами и конструкцией привода. Генерато­ры вагонов без кондиционирования воздуха мощностью до 8—10 кВт имеют относительно небольшие габаритные размеры, массу и укреп­ляются к кузову вагона или к тележке (на продольной или попереч­ной ее балке). Генераторы вагонов с кондиционированием воздуха мощ­ностью 20—30 кВт имеют значительную массу и габаритные размеры, что не позволяет устанавливать их на тележку. Поэтому их подвеши­вают под кузовом вагона в средней его части, укрепляя на хребтовой балке.

Вагонные генераторы работают при значительно изменяющейся нагрузке. Поэтому важное значение для их работы приобретают ус­ловия охлаждения. Так как генераторы устанавливают под вагонами, то их выполняют закрытыми, и охлаждают путем обдува потоком встречного воздуха.

Р ис. 1.6. Системы охлаждения генераторов пассажирских вагонов

В генераторах мощностью 4,5—8 кВт, кроме об­дува корпуса 3 потоком воздуха, используют дополнительное охлаж­дение с помощью вентилятора 2 (рис. 1.6, а), установленного на валу якоря 1. Этот вентилятор обеспечивает циркуляцию воздуха внутри машины и усиление интенсивности теплообмена между ее нагретыми частями и корпусом. В некоторых машинах роль вентилятора играют вентиляционные лопасти, смонтированные в торцовой части сердеч­ника якоря. Для увеличения поверхности охлаждения корпуса гене­раторы снабжают наружными охлаждающими ребрами. В генераторах мощностью 20—30 кВт, устанавливаемых на вагонах с кондициони­рованием воздуха, используют дополнительные способы охлаждения. Так, на генераторах типа K694L устанавливают наружный вентиля­тор 2 (рис. 1.6, б) с обтекателем 4, обдувающий внешнюю поверх­ность корпуса 3 для более интенсивного отвода от нее тепла.

При движении поезда в охлаждающем воздухе во взвешенном со­стоянии находится значительное количество частиц пыли, снега. По­этому принимают меры, затрудняющие попадание этих частиц внутрь машины (уплотнения, фильтры и пр.), однако полностью исключить проникновение их в машину нельзя. В агрегатах типа DUGG-28B применено охлаждение машины потоком воздуха, забираемым но воз­духоводу 5 из вагона 7 (рис. 1.6, в). В этом воздухе содержится мини­мальное количество пыли и грязи, и он имеет относительно постоян­ную температуру, так как вагон оборудован установками для конди­ционирования воздуха. Воздух для охлаждения генератора предвари­тельно фильтруется в приемных жалюзи 6. В зимнее время охлажде­ние генератора воздухом, забираемым из вагона, не допускается.

Недостатки генераторов постоянного тока. Генераторам этого типа присущи общие недостатки машин постоянного тока: невысокая надеж­ность, необходимость тщательного ухода за коллектором и щеточным аппаратом (периодическая смена щеток, чистка коллектора и пр.). Это вызывает осложнения при эксплуатации генераторов на вагонах, где затруднены систематические наблюдения и уход за коллектором и щеточным аппаратом. Необходимость иметь специальные переключатели полярности существенно усложняет конструкцию генера­тора.