Принципы регулирования напряжения тяговых генераторов и управление тяговыми электродвигателями.

Регулирование напряжения тяговых генераторов. Мощность дизе­ля регулируют изменением частоты вращения коленчатого вала n_Д. При такой регулировке к. п. д. дизеля остается почти постоянным в широких пределах изменения частоты вращения, поэтому на тепло­возах с электрической передачей применяют ступенчатое (обычно 8-—15 позиций контроллера) изменение частоты вращения вала дизеля при полном использовании наибольшего вращающего момента. Число ступеней выбирается таким, чтобы при переходе с одной ступени на другую не было больших изменений силы тяги и тока.

Несмотря на то что для дизеля обычно устанавливается несколько ступеней мощности, расчетным принят режим, соответствующий полной мощности, которая должна поддерживаться постоянной в широком диапазоне скоростей движения тепловоза.

Постоянство мощности дизеля N_e может быть легко достигнуто с помощью электрической передачи. Для этого достаточно, чтобы произведение тока тягового генератора на напряжение было постоянным.

P_г = I_г U_г =const

В этом случае графически внешняя характеристика генератора (зависимость напряжения от тока при постоянной часто­те вращения n_Д), так же как и тяговая характеристика, изобра­жается равнобокой гиперболой (линия б, в на рис. 1.3).

Н а тепловозах применяются тяговые генераторы с независимым возбуждением, а создание их гиперболической внешней харак­теристики обеспечивается систе­мами автоматического регулиро­вания напряжения СВГ, которые могут исполь­зовать специальные возбудители : 1)электромашинные системы(ЧМЭ3), 2)аппаратные системы (магнитные усилители тепловозов ТЭ10), 3)электронные системы (полу­проводниковые элементы на тепловозах ЧМЭ3Э, ЧМЭ3Т и.т.п)

Внешняя характеристика тяго­вого генератора и изменение мощности дизеля N_e:

aб—зона ограничения по току; бв зона

использования полной мощности дизеля;

ве—зона ограничения по напряжению

(возбуждению)

Ч тобы обеспечить плавное трогание и разгон тепловоза, электри­ческая передача автоматически ограничивает ток тягового генерато­ра (линия аб). Участок аб характеризуется большими токами и низкими напряжениями генератора, при этом реализуется максимальная сила тяги.

На современных тепловозах применяется также автоматическое ограничение напряжения тягового генератора при больших скоростях движения, что позволяет уменьшить габаритные размеры генератора и защитить элементы силовой цепи тепловоза (линия вг) от высокого напряжения. Участок вг характеризуется малыми токами генератора, т. е. низкими значениями силы тяги тепловоза, макси­мальным напряжением и недоиспользованием мощности генератора и дизеля. Максимальное напряжение генератора (обычно около 700 В) ограничивается допустимым значением среднего напряжения между коллекторными пластинами.

Мощность дизеля регулируется частотой вращения коленчатого вала, при этом каждому значению n_Д соот­ветствует определенная мощность, при которой к. п. д. дизеля будет максимальным

Для изменения мощности тягового генератора, а следовательно, и мощности дизеля Д при изменении частоты вращения коленчатого вала n_Д в систему СВГ вводится сигнал по n_Д ,сигнал по току тягового генератора I_г, сигнал по напряжению тягового генератора U_г Эти сигналы образуют сигналы обратной связи.

Управление тяговыми электродвигателями. Известно, что частота вращения якоря электродвигателя постоянного тока

n ₌ (U-IR / СФ

где U — напряжение на зажимах двигателя; I, R — ток и сопротивле­ние цепи якоря; Ф — магнитный поток; С, — машинная постоянная.

Схемы соединения электродвигателей:

а — последовательное; б — параллельное; в — подключение резисторов ослабления возбужде­ния

Из формулы видно, что частоту вращения якоря двигателя можно регулировать, изменяя напряжение или магнитный поток ..

Изменение подводимого напряжения к тяговому электродвигате­лю происходит непрерывно с изменением тока нагрузки (сопротив­ления движению), так как тяговый генератор имеет гиперболическую внешнюю характеристику.

Подводимое напряжение также изменяет­ся при изменении схемы соединения тяговых электродвигателей. При последовательном соединении электродвигателей (рис а) к каждому двигателю подводится напряжение U=U_r /m, где m — число двигателей, включенных последовательно.

Кроме того, при изменении мощности дизеля перестановкой главной рукоятки или штурвала контроллера машиниста с одной позиции на другую, изменяют частоту вращения вала дизеля, а следовательно, и напряжение тягового генератора. Такой способ используется при разгоне поезда.

На тепловозах магнитный поток (поле возбуждения) регули­руют ступенчато шунтированием обмотки возбуждения, применяя для этого параллельное подключение резисторов (рис в). При полном поле ток якоря I_я проходит по обмотке возбуждения, так как электродвигатели имеют последовательное возбуждение. Если же подключим при помощи контакторов Ш1, Ш2 шунтирующие резисторы R_Ш[ и R_Ш2, то по обмотке возбуждения пройдет только часть тока якоря. Так как магнитный поток определяет магнитодвижущая сила (м. д. с), т. е. ампер-витки обмотки возбуж­дения, то, следовательно, с уменьшением тока в обмотке возбуждения магнитный поток Ф также уменьшается, а n возрастает. Отношение тока возбуждения I_в к току якоря I_я называется коэффициентом ослабления возбуждения α. На тепловозах применяют две ступени ослабления возбуждения.

ПРИНЦИПИАЛЬНЫЕ СХЕМЫ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ПЕРЕДАЧ

Передача постоянного тока.

Установленное на тепловозах ЧМЭ3, ЧМЭ3Т, ЧМЭ3Э и ТЭ10 электрическое оборудование (тяговые и вспомогательные электрические ма­шины, аккумуляторная батарея, ос­новная и вспомогательная электриче­ская аппаратура) обеспечивает пере­дачу вырабатываемой дизелем меха­нической энергии на колесные пары локомотива и автоматическое регули­рование силы тяги в зависимости от скорости движения тепловоза.

Механическая энергия дизеля преобразуется ге­нератором в электрическую. Ток от генератора поступает в тяговые элек­тродвигатели, преобразующие элект­рическую энергию в механическую. Вращающий момент от якорей тяго­вых электродвигателей Мв через тяговые редукторы передается на колесные пары.

Генератор постоянного тока питает тяговые электродвигатели 1—6, соединенные параллельно на тепловозе ТЭ10 и последовательно – параллельно на тепловозе ЧМЭ3. Генератор Г имеет независимое возбуждение, а элект­родвигатели — последовательное. К генератору тяговые электро­двигатели подключаются электропневматическими (поездными) кон­такторами П1 — П6 (КП1-КП6)

Для расширения диапазона использования полной мощности тягового генератора применяются две ступени ослабления возбужде­ния электродвигателей. Для этого включают резисторы СШ(RШ) параллельно обмоткам возбуждения ОВ электродвигателей с по­мощью групповых контакторов ВШ(КШ) Направление движения тепловоза изменяется реверсором ПР(Р), который изменяет направле­ние тока в обмотках возбуждения ОВ.

Независимая обмотка возбуждения генератора Г получает пита­ние от возбудителя постоянного тока В,

Принципиальная схема электрической передачи

тепловоза ТЭ10.

Принципиальные схемы режимов работы тягового генератора тепловозов ЧМЭ3(а и б) и ЧМЭ3Т (а,б,в,г,д):

а-"Пуск дизеля"; б-"Тяга"; в-"Торможение"; г-"Обогрев от ТГ"; д- схема обогрева дизеля от сети переменного тока

В режиме реостатного торможения на тепловозе ЧМЭ3Т тяговые электродвигатели работают в режиме генераторов с независимым возбуждением от тягового генератора. Вырабатываемая электрическая энергия гасится на тормозных резисторах Rт, создаваемый при этом электромагнитный момент Мт является тормозным для колесных пар.

Для того чтобы тормозной момент действовал в нужном направлении, необходимо сохранить направление магнитного потока, создаваемого главными полюсами, или направление тока в проводниках якорной обмотки. При переходе из режима "Тяга" в ре­жим "Торможение" положение реверсора не меняется, т. е. полярность главных полюсов тягового электро­двигателя остается такой же. Так как тепловоз в режиме "Торможение" продолжает двигаться по инерции, со­храняя направление своего движения, то направление вращения якорей электродвигателей тоже не меняется. Направление тока в якорной обмотке тягового элек­тродвигателя, работающего в генера­торном режиме, меняется на противо­положное, тормозной момент М_т действует в на­правлении, противоположном направ­лению движения тепловоза.

На тепловозах ЧМЭ3Э и ЧМЭ3Т предусмотрен подогрев воды дизеля непосредственно от генератора тепловоза при работающем дизеле или от постороннего источника переменного трехфазного тока. Резисторы R85-88 подключаются к генератору контакторами КОГ, к постороннему источнику контакторами КОП.

Передача переменно-постоянного тока. Такая электрическая передача применена на тепловозе 2ТЭ116 Переменное напряжение тягового синхронного генератора СГ подается к выпря­мительной установке ВУ и после выпрямления подводится к шести тяговым электродвигателям. Двигатели, соединенные параллельно, подключаются к тяговому генератору с помощью электропневмати­ческих контакторов П1 — П6. Генератор СГ также обеспечивает питание переменным током асинхронные электродвигатели вентиля­торов охлаждения различного назначения Обмотка возбуждения тягового синхронного генератора питается от однофазного синхронного возбудителя СВ, через управляемый выпрямитель (усилитель) УВВ. Выходное напряжение УВВ регули­руется изменением момента открытия управляемых вентилей (тиристоров), установленных в двух плечах моста

Регулированием тока возбуждения тягового генератора СГ создается требуемая внешняя характеристика Сигналы обратной связи по току и напряжению генератора СГ, получаемые от тран­сформаторов постоянного тока ТПТ1—ТПТ4 и напряжения ТПН, поступают в узел преобразования и сравнения сигналов, именуемый селективным СУ. В узле СУ по сигналам U_r и I_г формируется сигнал по мощности генератора и каждый из них сравнивается с сигналом задания (уставки).

Полученный сигнал рассогласования через блок управления возбуждением БУВ управляет открытием тиристоров управляемого выпрямителя УВВ, устанавливая ток возбуждения СГ, необходимый для поддержания заданного значения одной из величин I/_г, U_r или Р_г. Для получения задания по U_r, I_г, Р_г в узле СУ используют два вида сигналов: по частоте вращения и отклонению мощности дизеля. Первый поступает от тахометрического блока задания БЗВ, а второй — от индуктивного датчика ИД. Система регулирова­ния обеспечивает полное использование свободной мощности дизеля при всех возможных колебаниях.

Принципиальная схема электрической передачи переменно-постоянного тока

При повреждении элементов системы автоматического регулирования возбуждения СГ предусмотрен аварийный режим, при котором переключателем шунтируются тиристоры УВВ и он работает как обычный неуправляемый выпрямительный мост; регу­лирование производится вручную машинистом.

Системы возбуждения тяговых генераторов.

Напряжение тягового генератора Uг = CгФг nг- Iя Rя меньше его Э.Д.С

Е= CгФг nг на величину падения напряжения в якорной обмотке Iя Rя.

Cг-постоянная генератора, Фг –магнитный поток генератора,nг –обороты якоря генератора. Uг регулируется изменением оборотов nг и магнитного потока Фг.

Фг регулируется изменением напряжения возбудителя Uв

Напряжение возбудителя Uв, вырабатываемое системой СВГ подводится к обмотке возбуждения тягового генератора ОВГ, обеспечивая измене­ние магнитного потока Ф_г и напряжения U_г тягового генератора по гиперболической кривой.. Вместе с тем, как указывалось выше, мощность дизеля должна поддерживаться постоянной. Для этого в систему СВГ, кроме сигналов по току I_г и напряжению U_г тягового генератора вводится сигнал X, по положению органа топливоподачи пропорциональный) свободной мощности дизеля (узлы автоматического регулирования мощности). Такие системы применяют на магистральных и мощных маневровых тепловозах.

На тепловозах ТЭ10 и ТЭП60 в системе возбуждения генератора исполь­зуются магнитные усилители, на тепловозах 2ТЭ116, ТЭП70, ТЭМ7— тиристоры, на тепловозах ЧМЭ3Э и ЧМЭ3Т- транзисторы. На современных тепловозах применяют схемы автоматического регулирования, обеспечивающие получение гиперболической .харак­теристики за счет спе­циальных автоматических электронных регуляторов.

В электрических передачах постоянного тока применяются способы возбуждения генераторов СВГ: 1) машинный (ЧМЭ3), 2)аппаратный (ТЭ10), 3) электронный (ЧМЭ3Э,Т) Вспомогательный генератор ВГ питает свою параллельную обмотку возбуждения через регулятор напряжения РН и независимую обмотку возбуждения возбудителя 1F через регулируемое сопротивление R8(1,2,3,4 столбики).

Принципиальная схема возбуждения тепловоза ЧМЭ3

В озбудитель В питает свою параллельную обмотку D и обмотку возбуждения F тягового генератора Г.Обратную связь осуществляет противокомпаундная обмотка 2F.

В озбуждение возбудителя на тепловозе ЧМЭ3Т (ток в независимой обмотке F2-F1) регулируется электронным регулятором ЭР. Обратная связь осуществляется электронными датчиками тока ДТ и напряжен

ЭР

ЭР

ЭР

В озбуждение возбудителя на тепловозе ТЭ10(ток в независимой обмотке Н11-Н12) регулируется амплистатом возбуждения АВ. ВГ питает независимую обмотку возбуждения синхронного подвозбудителя СПВ, который через рабочие обмотки амплистата ОР питает независимую обмотку возбудителя. Обратная связь осуществляется трансформаторами постоянного тока ТПТ и напряжения ТПН.

Принципиальная схема возбуждения тепловоза ТЭ10

ЭР

Р

ЭР

АСПОЛОЖЕНИЕ ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ОБОРУДОВАНИЯ НА ТЕПЛОВОЗАХ.

Расположение оборудования тепловоза ЧМЭЗ:

1 — автосцепка; 2 — аккумуляторная батарея; 3 — крышка песочного бункера; 4 — антенна; 5 — аппаратная камера; 6 — инструментальный ящик; 7 — тепло- и звукоизоля­ционная стенка;8 — резервуар управления (100 л); 9 — тяговый генератор; 10 — турбонагнетатель; 11 — дизель; 12 — водяные секции радиатора вспомогательного контура; 13 — вентилятор вспомогательного контура; М верхние жалюзи шахты холодильника; 15 — главный вентилятор; 16 — водяные секции радиатора основного контура; 17 — главная рама; 18 — передняя тележка; 19 — вентилятор охлаждения тяговых электродвигателей передней тележки; 20 — тяговый электродвигатель; 21 — колесная пара; 22 — топливный бак; 23 — вентилятор охлаждения тяговых электродвигателей задней тележки; 24 — подвесной болт; 25 — задняя тележка; 26 — вспомогательный пульт; 27 — ручной тормоз; 28 — калорифер; 29 — шкаф для одежды; 30 — двухмашинный агрегат; 31 — главный резервуар (4X250 л); 32 — боковые жалюзи шахты холодильника; 33 — компрессор; 34 — гидромеханический редуктор; 35 — запасный резервуар (78 л); 36 — пульт управления тепловозом; 37 — радиостанция

1 2 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17

Расположение электроаппаратуры на тепловозах ЧМЭЗ

а — в аппаратной камере: / — панель конденсаторов и резисторов в цепях пуска дизеля; 2 — сборник зажимов РШ1; 3 — контакторы КП1 — КПЗ; 4 — регулятор напряжения РН; 5 — сборник зажимов РШ2; б — шунт ам­перметра А2; 7 — сборники зажимов РШ4, PU14A и РШЗ; 8 —г- панель резисторов РН; 9, 10 — реле РСМД1 и РСМД2; 11 — реле Р1; 12 — контактор КУ; 13 -г- контактор КМВХ; 14 — контактор КМН; 15 — диод Д4; 16 — диод Д1; 17 — Диоды Д31 и Д32; 18 — звуковой сигнал ЗС; 19 — блок плавких предохранителей; 20 — розетка Р310; 21 — резисторы RU и R21; 22 — резисторы R8, R10 (на рис. 100 резисторы R8 и R10 обозначены соответ­ственно R81, R82, R83, R84 и R101, R102, R103) и R17; 23 — панели резисторов R7, R9, R32 и R18, R19; 24 — панель зажимов РШЗ; 25 — рубильник батареи ОБА; 26 — реле РП1 и РП2; 27 — панель зажимов КЗ; 28 — розетка РЗБ; 29 — соединительная шина; 30 — шунт килоамперметра А1; 31 — реверсор; 32 — реле РЗ; 33,34 — реле РБ1 и РБ2; 35 — реле РУ5; 36 — реле РУ1; 37 — реле РУ4; 38 — реле РУ2; 39 — реле РУЗ; 40 — реле РЗС; 41 — реле РВ; 42 — 47 — контакторы КШ1 — КШ6; 48 — контактор КНИ; 49 — контактор KB; 50, 51 — кон­такторы КД1 и КД2;

б — на главном распределительном щите: 1 — амперметр зарядки батареи; 2 — вольтметр цепей управления; 3 — отключатели тяговых электродвигателей; 4— кнопка "Остановка дизеля второго тепловоза"; 5 — сигнальная лампа ЛСИ; 6 — режимный переключатель "Управление" ПСМЕ; 7 — режимный переключатель "Регулятор мощности и охлаждения" ВВО; 8- 17 —автоматические выключатели (слева направо): АВ220,АВ251,АВ351, АВ400, АВ405, АВ408, АВ415, АВ425 резервный, АВ500

Расположение электрооборудования на тепловозе 2ТЭ10: 1— приемные катушки АЛСН; 2— двухмашинный агрегат; 3— ящик дешифратора усили­теля АЛСН; 4— электродвигатель отопительно-вентиляционного агрегата; 5— прожектор; 6—локомотивный светофор; 7—электропневматический клапан ЭПК; 8—громкоговоритель радиостанции; 9— электродвигатель вентилятора кузова; 10— световой номер; 11-/блокиров­ка валоповоротного устройства; 12— реле сброса нагрузки; 13— реле остановки дизеля; 14— дизель; 15— комбинированное реле давления; 16— электропневматические вентили откры­тия жалюзи; 17— тяговый электродвигатель; 18— буферный фонарь; 19— пульт управле­ния радиостанцией; 20—пульт управления тепловозом; 21—скоростемер; 22—переговорное устройство; 23—кнопка маневровой работы; 24—антенно-согласующее устройство радио­станции; 25—правая аппаратная камера, 26, 27—блоки радиостанции; 28—трансформатор стабилизирующий; 29—левая аппаратная камера; 30—тяговый генератор; 31—электродви­гатель маслопрокачивающего насоса; 32—разъемы пожарной сигнализации; 33—электро­двигатель топливоподкачивающего насоса: 34, 41—коробки распределительные; 35—акку­муляторные ящики; 36—датчики пожарной сигнализации; 37—объединенный регулятор дизеля; 38—синхронный подвозбудитель; 39, 40—датчики; 42—электропневматический клапан песочницы задней тележки; 43—розетка междутепловозного соединения;