Горьковская железная дорога — филиал Открытого акционерного

Общества «Российские железные дороги»

Горьковский учебный центр профессиональных квалификаций —

Нижегородское подразделение

Методическое пособие

По предмету:

«Устройство и ремонт тепловозов»

Раздел:

Электрическая передача и электрические машины тепловозов

Наименование профессии

Машинист тепловоза

Код профессии: 14241

Электрическая передача

На тепловозах ТЭ10М, ЧМЭ3 и т.д. установлена электрическая передача постоянного тока. Эта передача состоит из тягового генератора ТГ, якорь которого вращается коленчатым валом дизеля, тяговых электродвигателей ТЭД установленных на тележках. А также вспомогательных машин и электрических аппаратов связанных электрической схемой. Электрическая передача служит для передачи мощности от дизеля к колесным парам.

От ТГ постоянного тока получает питание ТЭД постоянного тока, который преобразует электрическую энергию в механическую, через зубчатую передачу.

Электрическая передача постоянного тока применяется на большинстве тепловозов, т.к. она имеет ряд преимуществ перед другими видами передач.

1. Легко регулируется скорость движения тепловоза за счет изменения напряжения тягового генератора.

2. Обеспечивает плавное прогание тепловоза с места, простоту и надежность в управлении.

3. Простыми средствами достигается изменение направления движения тепловоза.

4. Электрическая передача дает возможность работать по системе многих единиц СМЕ при управлении с одного поста.

5. Электрическая передача допускает временную перегрузку, которую используют при трогании тепловоза с места и при движении на подъем.

Недостатки электрической передачи

1. Большой вес электрической передачи.

2. Большой расход цветных металлов.

3. Электрическая передача имеет высокую стоимость.

Установленная на тепловозах электрическая передача, способна автоматически изменять силу тяги в зависимости от режима работы тепловоза.

Она включает в себя тяговый генератор, якорь которого вращает коленчатый вал дизеля, тяговые двигатели, якоря которых при помощи зубчатой передачи соединяются с колесными парами. Для питания независимой обмотки ТГ в электропередачу включают возбудитель (генератор постоянного тока).

В се эти электрические машины с соединительными проводами и кабелями представляют собой «автоматическую коробку передач».

При увеличении сопротивления движению поезда скорость поезда уменьшается. Якоря ТЭД начинают медленнее вращается и вырабатываемая ими противо ЭДС уменьшается. Но так как противо ЭДС является основным сопротивлением для тока нагрузки. То при уменьшении противо ЭДС двигателей ток нагрузки увеличивается.

Этот ток проходит через якорную и обмотку возбуждения ТЭД, поэтому увеличивается вращающий момент, возникающий в якоре ТЭД, и следовательно и сила тяги. Сила тяги, уравновесив сопротивление движению поезда, заставит поезд в дальнейшем не снижать скорость движения.

При снижении сопротивления движению поезда его скорость возрастает, якоря ТЭД начинают вращается быстрее, противо ЭДС вырабатываемая ТЭД увеличивается а ток нагрузки уменьшается.

И уменьшается сила тяги. Увеличение или уменьшение тока нагрузки может привести в первом случае к перегрузке дизеля. Во втором к его недогрузке. Поэтому внешняя характеристика (зависимость U от I нагрузки) должна представлять графически гиперболу. То есть ток нагрузки увеличится в несколько раз то напряжение на зажимах ТГ должно снижется на такую – же величину и наоборот. Уменьшение тока нагрузки в несколько раз должно вызвать увеличение U на зажимах ТГ на туже величину.

Поддержанием внешней гиперболической характеристики ТГ занимается амплистат, обеспечивая в необходимых случаях изменение основного магнитного потока ТГ.

Принцип работы электрической передачи

1. П ри пуске дизеля включаются пусковые контакторы и замыкаются их контакторы Д1 и Д2. Через эти контакты ток пойдет от + АБ на якорную и пусковую обмотку ТГ. Тяговый генератор ТГ начинает работать в режиме электрического двигателя и вращает коленчатый вал дизеля. Дизель запускается. После пуска дизеля пусковые контакторы отключаются, контакты Д1 и Д2 размыкаются, пусковая обмотка ТГ отключается, генератор переходит в режим генератора – якорь его вращается коленчатым валом дизеля.

2. После пуска дизеля начинает работать вспомогательный генератор ВГ. Вспомогательный генератор ВГ через диод ДЗБ подзаряжает АБ и питает собственную обмотку возбуждения.

3. Для приведения тепловоза в движение необходимо набрать первую позицию, при этом включаются контакторы ВВ – контактор возбуждения возбудителя, КВ – контактор возбуждения тягового генератора, П1-П6 – поездные контакторы. Через контакт ВВ получит питание обмотка возбуждения возбудителя от ВГ. Через контакт КВ получит питание обмотка возбуждения ТГ от возбудителя, при этом на зажимах ТГ возникает разность потенциалов, т.е. электрическое напряжение, и от ТГ через контакты контакторов П1-П6 ток пойдет на ТЭД. Якорь ТЭД начинает вращаться, вращающий момент от вала якоря через зубчатую передачу передается на ось колесной пары и тепловоз приходит в движение.

Электрическая передача переменно-постоянного тока

Д ля тепловозов с мощностью ДГУ более 3000л/с электрическая передача постоянного тока не пригодна, т.к. начинается круговой огонь по коллектору ТГ. Поэтому на тепловозах мощностью более 3000л/с применяется электрическая передача переменно-постоянного тока.

Структурная схема

При такой передаче вместо генератора постоянного тока установлен генератор переменного тока, а ТЭД установлены постоянного тока. В этом случае для питания ТЭД потребовалось оборудование тепловозов выпрямительной установкой ВУ. Первый тепловоз с передачей переменно-постоянного тока был выпущен в 1967 году (тепловоз ТЭ109).

Достоинства

1. Применен безколлекторный генератор.

2. Не требуется синхронный возбудитель в системе вобуждения.

3. Такая передача обеспечивает быстродействие и точность системы регулирования.

Принцип действия электрического двигателя постоянного тока.

П ринцип действия основан на использовании явления выталкивания проводника с током из магнитного поля. При подаче напряжения на обмотку возбуждения машины, она создаёт основной магнитный поток. Если подать напряжение на обмотку якоря, то витки с током якоря будут находиться в магнитном поле полюсов машины, и на проводники витков, создавая вращающий момент, будут действовать выталкивающие силы F, направление которой определяется по правилу левой руки.

Эта пара сил направленных в разные стороны создает вращающий момент, который на рисунке направлены в разные стороны.

Вращающие моменты витков направлены в одну сторону, поэтому складываются и образуют вращающий момент машины, который зависит:

Мвр = См Ф Iя, где;

См – конструктивная постоянная машины

Ф – магнитный поток

Iя – ток якоря

Под действием вращающего момента якорь начинает вращаться, и на его вал будут действовать силы сопротивления (трение о щётки, сопротивление воздуха, сопротивление от рабочего механизма и т.д.), которые образуют момент сопротивления и направлены против момента вращения. Возможны 3 режима работы двигателей:

1. Вращающий момент больше момента сопротивления и частота вращения увеличивается Мвр > Мс

2. Вращающий момент меньше момента сопротивления и частота вращения уменьшается Мвр < Мс

3. Вращающий момент равен моменту сопротивления и частота вращения постоянна Мвр = Мс

2. При вращении якоря его витки пересекают магнитные силовые линии поля, и в них индуктируется ЭДС. Направлена проходящего по витку индуктированной ЭДС определяется по правилу правой руки. Применяя это правило к сторонам витка видно, что эта ЭДС направлена против тока Эта ЭДС в двигателе направлена против тока якоря, поэтому её называют противоЭДС (обозначается Е).

Е = Сn Ф,

где n – частота вращения

3. В двигателях напряжение, приложенное к обмотке якоря всегда больше противоЭДС

U > E, т.е.

4. Из третьей формулы можно определить, от чего зависит ток двигателя.

Это есть закон Ома для двигателя постоянного тока.

5. Из второй и третьей формулы можно найти, от чего зависит частота вращения двигателя.

Это значит, что регулировать частоту вращения (n), т.е. скорость машины можно двумя способами:

1. увеличить напряжение набором позиций;

2. уменьшить магнитный поток (ослабление поля).

Обратимость электрических машин.

Электрическая машина постоянного тока может работать как в режиме двигателя так и в режиме генератора.

На тепловозах тяговый генератор при запуске дизеля работает в качестве электрического двигателя (вращает коленчатый вал дизеля) питание при этом ТГ получает от АБ. После пуска дизеля генератор переходит в свой основной режим работы.

ТЭД могут переходить в генераторный режим при условии, если противоЭДС становится больше подведенного напряжения Е>U.

Принцип работы генератора постоянного тока

Принцип действия основан на использовании явления электромагнитной индукции.

Г енератор постоянного тока представляет собой много витков уложенных в пазы сердечника якоря, при вращении якоря генератора в магнитном поле полюсов с некоторой частотой вращения n, его проводники пересекают магнитно силовые линии потока Ф и в каждом проводнике индуктируется ЭДС. ЭДС витков складываются и образуют генераторную ЭДС, которая зависит:

Если к якорю генератора подключить потребитель, то под действием ЭДС по якорю генератора и потребителю потечет ток, этот ток совпадает по направлению с генераторной ЭДС. Так как витки с током якоря генератора находятся в магнитном поле полюсов, то на проводники витков действуют выталкивающие силы, которые создают электромагнитный момент Мт, направленный встречно вращению якоря, поэтому он является тормозным моментом машины.

Для того чтобы предотвратить остановку якоря, необходимо к валу якоря приложить внешний вращающий момент (дизель) противоположный моменту Мт.При разомкнутой внешней цепи (отсутствие нагрузки) генератор переходит в режим холостого хода. При этом от дизеля требуется энергия на преодоление трения и других внутренних потерь в генераторе. При увеличении нагрузки увеличивается и ток, проходящий по проводникам а, следовательно, и увеличивается тормозной момент . Следовательно, необходимо увеличить механическую мощность, которую генератор должен получить от дизеля. Таким образом, чем больше требуется электрической энергии (для ТЭД) тем больше механической энергии ТГ забирает дизеля и тем больше топлива необходимо подавать дизелю.

Типы двигателей

В зависимости от способа соединения обмотки якоря с обмоткой возбуждения различают 4 типа двигателей:

1. С независимым возбуждением.

2. С параллельным возбуждением.

3. С последовательным возбуждением.

4. Со смешанным возбуждением.

Электромеханическая характеристика двигателей постоянного тока

Электромеханическая характеристика двигателей постоянного тока – это графическая зависимость частоты вращения и вращающего момента от тока двигателя, при условии, что напряжение подаваемое на двигатель, постоянное.

n = f(Iя),

Мвр = f(Iя).

U = const.

Изменение тока двигателя при снятии таких характеристик осуществляется за счет изменения механической нагрузки на валу якоря.

Характеристики двигателя с параллельным возбуждением (шунтовой).

Т ак как напряжение – величина постоянная, то ток возбуждения Iв и основной магнитный поток Ф у данного двигателя при снятии характеристики изменяться не будут и поэтому вращающий момент Мвр будет прямо пропорционален, зависеть от тока якоря. Частота вращения n при изменении механической нагрузки на валу меняется незначительно, только за счет изменения падения напряжения в обмотке якоря. Такая характеристика называется «жесткой» или мало изменяющейся. При частоте вращения n_кр ток якоря равен 0, то есть U = Е. Если частота вращения будет больше n_кр, то двигатель автоматически перейдет в генераторный режим.

р=CnΦIя

Характеристики двигателя с последовательным возбуждением (сериесный).

У данного двигателя ток якоря равен току возбуждения, поэтому Мвр данного двигателя зависит от квадрата тока якоря. При увеличении механической нагрузки на валу частота вращения данного двигателя уменьшается значительно по следующим причинам:

• Из-за увеличения, в основном, магнитного потока полюсов Ф.

• За счет увеличения падения напряжения в обмотке якоря.

Т акая характеристика является «мягкой» и двигатель не может автоматически переходить в генераторный режим, поэтому, при малых механических нагрузках на валу, двигатель идет в разнос – n резко увеличивается. Двигатели с последовательным возбуждением запрещается запускать без механической нагрузке на валу якоря.

Сравнение двигателей с различными типами возбуждения для их

применения в качестве тяговых

1. Сравнение по пусковому и вращающему моменту. Так как у сериесного двигателя Мвр зависит от квадрата тока якоря, поэтому, при одном и том же токе якоря сериесный двигатель будет развивать больший Мвр и пусковой момент, чем шунтовой.

2. Сравнение по перегрузочной способности. При одном и том же пусковом и вращающем моментах, сериесный двигатель потребляет меньший ток чем шунтовой, поэтому меньший нагрев обмоток двигателя и он обладает большей перегрузочной способностью.

3. Сравнение по разнице диаметров бандажей колесных пар. Так как допускается разница диаметров бандажей, то двигатели будут вращаться с разной частотой. Даже если двигатели имеют одинаковые характеристики, то они будут потреблять разные токи и соответственно, разница токов у сериесных двигателей значительно меньше из-за мягкости характеристик.

4. Сравнение по разнице характеристик ТЭД. Из-за технологических допусков двигатели имеют различные характеристики. Допускается отклонение частоты вращения при номинальных условиях до 4%, поэтому, даже при одинаковых диаметрах бандажей колесных пар ТЭД потребляют разные токи и у сериесных двигателей эта разница токов меньше чем у шунтовых.

5. Сравнение по броскам напряжения в контактной сети. Броски напряжения в контактной сети возникают, например, при отключении ГВ одной из секций в режиме тяги, при этом к остальным ТЭД прикладывается большее напряжение, то есть они переходят на более высокоскоростную характеристику. Так как частота вращения ТЭД мгновенно изменится не может, то в двигателях происходит бросок тока и у сериесных ТЭД эти броски тока значительно меньше чем у шунтовых.

6. Сравнение по механической прочности катушек полюсов. У сериесных двигателей по катушкам полюсов проходит значительный электрический ток, поэтому для создания основного Ф большого количества витков не требуется. Катушки полюсов выполняют из шинной меди большего сечения. Такие катушки более механически прочные, что имеет преимущества при ремонте машины.

7. По способности ТЭД автоматически переходить в генераторный режим. Шунтовой двигатель может автоматически переходить в генераторный режим, сериесный двигатель не может перейти в генераторный режим, а при малых нагрузках идет в разнос.

8. По склонности к буксованию. В начале буксования у шунтовых двигателей n увеличивается незначительно, а кроме того, при частоте вращения якоря более nкр шунтовой двигатель переходит в генераторный режим – тормозной. Этот двигатель менее склонен к буксованию.