3. Характеристики и регулирование напряжения тяговых генераторов

3.1. Совместная работа дизеля и генератора

Мощность дизеля ( ) регулируют изменением частоты вращения коленчатого вала. При этом КПД дизеля остается почти постоянным в широком диапазоне частот вращения, поэтому на тепловозах применяют ступенчатое (8 – 16 позиций КМ) или непрерывное изменение при полном использовании наибольшего .

Для дизеля основным является режим полной мощности, которая должна быть постоянной в широком диапазоне скоростей движения тепловоза. А для этого (как мы уже говорили с вами) необходимо, чтобы

Практически при изменении его момент не остается постоянным, т.е. , следовательно равновесия между и (см. рис. 2.28.) не наступает и (или ) начинает уменьшаться или увеличиваться.

Изобразим основную характеристику изменения .→

Пусть имеется равенство ₁, при этом частота вращения дизель-генератора . Тогда момент генератора:

(3.1)

где – постоянная генератора;

– сила тока Г при ;

– магнитный поток Г (главных полюсов);

– к.п.д. генератора (для упрощения применения = 1).

Рис. 3.1. Характеристики изменения М_д и М_г при n_д = var

Как вы знаете, ток генератора зависит от , который в свою очередь зависит от .

Пусть изменились условия движения, следовательно это повлечет за собой изменение . В первый момент его изменения магнитный поток будет неизменным, следовательно момент сопротивления Г увеличится:

> . (3.2)

Вследствие неравенства моментов и , будет уменьшаться. Рассмотрим 3 возможных случая.

1) не зависит от и остается постоянным. Следовательно и при неизменном тоже неизменен. Но при изменении в зависимости от равновесие в моментах вообще может не наступать или наступит при очень низкой , т.е. при , соответствующей низкой мощности . В этом случае дизель остановится, т.е. при таком регулировании дизель работает крайне неустойчиво.

2) Магнитный поток генератора прямопропорционален скорости вращения его вала ( = ). При этом

(3.3)

где – коэффициент пропорциональности между и , меняющийся

по закону прямой линии (кривая 2).

Пересечение характеристик и генератора произойдет при более высокой скорости вращения – .

3) Магнитный поток генератора имеет степенную зависимость от скорости вращения вала ( = ). При этом

(3.4)

т.е. зависит от в степени «К» и меняется по кривой 3.

Благодаря резкому изменению момента генератора равновесие между и наступает при , т.е. близкой к первоначальной. Такая схема работает устойчиво.

3.2. Внешняя характеристика тягового генератора и её ограничения

– внешняя характеристика тягового генератора – гипербола.

Внешняя характеристика имеет 3 ограничения:

1. между а и б – зона ограничения по току;

2. между б и в – зона ограничения полной мощности дизеля и генератора;

3. между в и г – зона ограничения по напряжению.

Рис. 3.2. Внешняя характеристика ТГ и характеристика мощности дизеля

Внешняя характеристика практически осуществима в некотором диапазоне нагрузки от .

При токах < действует ограничение напряжения по условию насыщения магнитной цепи Г.

обусловлен допустимым тепловым состоянием машины, а следовательно и условиями коммутации.

Необходимо стремится, чтобы диапазон был как можно шире, но при этом необходимо учитывать и технико-экономические показатели. Если сдвинуть в лево, то следовательно необходимо увеличить, при этом необходимо повысить магнитную проницаемость цепи, сечение магнитопровода и т.д., т.е. увеличатся размеры, вес и стоимость передачи.

Сдвиг вправо связан с использованием более дорогих изоляционных материалов и усовершенствованием устройств охлаждения. При этом нельзя забывать и о тяговой характеристике ( ), т.к. ≤ - это тоже накладывает ограничение на ток .

Таким образом при работе ТГ по идеальной внешней характеристике дизель загружается на полную мощность в пределах гиперболы.

Характеристика на рис. 3.2. является предельной, т.е. соответствует работе дизеля на наибольшей позиции.

Для работы с пониженной мощностью снижается и позиция КМ, т.е. – уменьшается, а так же и возбуждение генератора.

Тогда внешние характеристики при работе на промежуточных позициях будут выглядеть следующим образом (рис. 3.3.) →

Но такую (внешнюю) характеристику общепромышленные генераторы не могут обеспечить.

Известны следующие генераторы постоянного тока различного возбуждения:

Н – независимого;

С – сериесного (последовательного);

Ш – шунтового (параллельного);

СМ – смешанного.

Рис. 3.3. Внешняя характеристика тягового генератора на промежуточных режимах

Рис. 3.4. Внешняя характеристика генератора с различными системами возбуждения

Поэтому на тепловозах применяют ТГ с независимым возбуждением, а создание гиперболической внешней характеристики обеспечивается средствами автоматического регулирования (САУ или САР).